Brevet FR2931085A1 — publié le 20091120

PROCEDE DE TRI DE PARTICULES OU D'AMAS DE PARTICULES DANS UN FLUIDE CIRCULANT DANS UN CANAL. La présente invention a pour objet un procédé de tri et éventuellement de concentration de particules submillimétriques ou d'amas de particules submillimétriques dans un fluide circulant dans un canal principal. On connaît déjà des procédés de tri hydrodynamique passif à l'aval d'un réseau périodique d'obstacles qui dévient dans une même direction à chaque rangée de plots les particules plus grandes qu'une taille critique déterminée par la géométrie du dispositif. La trajectoire des plus grosses particules étant ainsi inclinée par rapport à celle des plus petites, il est possible de séparer des cellules selon leur taille. Une telle technique est décrite notamment dans les Demandes WO 2004/037374 (HUANG), US 2007-026381 (HUANG) ou bien encore US 2007-059781 (KAPUR). Un autre procédé de tri passif met en oeuvre deux flux laminaires, à savoir un tampon contenant des particules et un tampon de focalisation sans particules qui sont poussés dans un canal étroit avant de pénétrer dans un canal plus large. Selon ce procédé, la focalisation permet de positionner les particules contre la paroi opposée au canal. Cette focalisation est réalisée par l'injection latérale d'un fluide sans particule et favorisée par la restriction géométrique. Elle permet d'induire une différence de position par rapport à la paroi entre les particules en fonction de leur taille, l'élargissement de la section permettant un tri. Ainsi les plus petites particules, auront leur centre d'inertie à une distance xl ( très petite) proche de la paroi du canal sur laquelle s'effectue la focalisation, et les plus grandes particules auront leur centre d'inertie à une distance x2 supérieure à xl. Lors du passage de la région de pincement à la région de section élargie, la différence de positionnement des lignes d'écoulement est accentuée, et comme les particules suivent les lignes d'écoulement sur lesquelles leur centre d'inertie est positionné, l'élargissement du canal accentue la différence de position entre petites et grosses particules. Le pincement de flux présente l'inconvénient d'exercer des contraintes de cisaillement sur les particules lorsqu'elles atteignent le canal étroit, et surtout oblige, de par sa géométrie, à une dilution des échantillons de particules à laquelle la technique utilisée ne permet pas de remédier. Une telle technique est décrite notamment dans le document "Pinched Flow Fractionation Continuous Size Separation of Particules Utilizing a Laminar Flow Profile in a Pinched Microchannel" de Masumi YAMADA et Collaborateurs (Analytical Chemistry, vol. 78, n° [8, 15 Septembre 2004, pages 5465 à 5471). Une autre technique connue est un procédé de tri actif par lequel les lignes d'écoulement d'un fluide contenant des particules sont déviées en créant localement une zone de basse pression par aspiration. La trajectoire des particules dépend du bilan global des forces appliquées sur les particules : en fonction de leur masse, densité, volume (ou diamètre), vitesse et du champ de pression résultant de l'aspiration les particules seront triées ou pas. Une telle technique est proposée dans la Demande US 2007/221550 (WO 2006/102258) de Barton SMITH et Zachary HUMES. Encore une autre technique connue est la filtration hydrodynamique qui est décrite en particulier dans l'article de Masumi YAMADA et Minori SEKI "Hydrodynamic filtration for on-chip particle concentration and classification utilizing microfluidics". The Royal Society of Chemistry, 2005, Lab Chip 2005, 5, pages 1233 à 1239. Ce procédé met en oeuvre des écoulements de faible débit dans des canaux latéraux, d'une part, pour concentrer et aligner les particules, et d'autre part, pour les sélectionner. La concentration des particules le long des parois nécessite un grand nombre de canaux latéraux avec un faible débit d'écoulement et un dimensionnement géométrique très précis. Il est également connu d'utiliser des micro-tourbillons pour piéger des petites particules fluorescentes (dont la taille est de l'ordre du micromètre). Cette technique est décrite par D. LIM et Collaborateurs dans "Dynamic formation of ringshape patterns of colloïdal particles in mic:rofluidic systems", Applied Physics Letters 2003, 83 (6), pages 1145 à 1147. Ce procédé nécessite des gammes de vitesse élevées. Un procédé de séparation de particules selon leur densité par recirculation centrifuge a été décrit par SHELBY et collaborateurs dans � High radial acceleration in microvortices� paru dans Nature 2003, 425, pages 38 et suivantes, pour séparer deux types de billes de densités différentes (billes de polystyrène de densité 1,05 g/cm3 et billes de silice de densité 1,8 à 2 g/cm3). La recirculation centrifuge permet de concentrer les billes de faible densité au centre du vortex et celles de densité plus élevée vers les parois de la chambre. Ce procédé nécessite des vitesses élevées (de l'ordre de 20m/s), ainsi qu'une différence de densité importante entre les particules. Enfin il ne permet pas de récupérer les particules séparées. Ce procédé n'a donc pas pour but de trier ou de concentrer des 35 particules, mais plutôt de séparer des particules en appliquant une force centrifuge élevée (accélération centrifuge de l'ordre de 104 m/s) avec un cisaillement élevé (de l'ordre de 105 Pa) dans des zones de recirculation. La présente invention a pour objet un procédé de tri de prélèvement, et éventuellement de concentration de particules ou d'amas de particules selon leur taille sans imposer comme condition obligatoire de diluer la solution, ni de mettre en oeuvre une force centrifuge et/ou un cisaillement élevés. Le procédé de tri de particules submillimétriques entraînées dans un fluide circulant dans une direction axiale d'un canal principal, les particules ayant une densité différente de celle du fluide, est caractérisé en ce qu'il met en oeuvre dans une to première région du canal principal, une focalisation des particules le long d'une paroi du canal principal par au moins un dispositif de focalisation et en aval de ladite région, un tri de particules dans au moins un dispositif de tri et de prélèvement en communication avec le canal principal par une ouverture de telle sorte qu'une sélection des particules collectées soit réalisée par le dispositif de tri et de prélèvement en 15 fonction de la taille desdites particules. Le procédé permet ainsi de trier les particules en combinant une focalisation des particules, et un dispositif de tri et de prélèvement, l'entrée d'une particule dans un dispositif de tri et de prélèvement étant conditionnée par ses caractéristiques géométriques. En outre, lorsque le dispositif de tri et de prélèvement 20 est une chambre de recirculation contenant une zone de recirculation, le procédé permet une concentration des particules triées avant leur prélèvement. De préférence, ladite focalisation est effectuée sans pincement de flux dans une région de section sensiblement constante du canal principal, par injection dans le canal principal d'un fluide à partir d'un dit dispositif de focalisation 25 présentant au moins un canal latéral sous une incidence a au moins égale à 5° et pouvant aller jusqu'à 90° pour focaliser les particules sur une paroi du canal en aval de la région où est effectuée l'injection latérale. L'injection par un canal latéral débouchant dans le canal principal, sans striction de celui-ci, permet d'assurer facilement la focalisation des particules le 30 long de la paroi opposée, sans imposer aux particules des contraintes de cisaillement préjudiciables. Il peut être prévu, à l'opposé de la région d'injection et en vis-à-vis et/ou en aval de celle-ci, un prélèvement de fluide, par au moins un canal de prélèvement de fluide avantageusement de dimension inférieure à la taille des 35 particules les plus fines circulant dans le canal principal. Ainsi peut être résolu le problème de la dilution. Un dispositif de tri et de prélèvement peut être une chambre de recirculation, en communication avec le canal principal, et comportant un moyen de prélèvement séquentiel, ce dernier pouvant être un canal de prélèvement débouchant dans la chambre de recirculation. De façon avantageuse, la dite chambre de recirculation comporte une zone de recirculation permettant une concentration des particules triées avant leur prélèvemem:. Dans ce cas, le canal de prélèvement débouche préférentiellement dans la zone de recirculation, ce qui permet le prélèvement séquentiel de concentrations de particules. Au moins une zone de recirculation peut être comprise dans une cavité ou chambre, dite cavité ou chambre de recirculation de forme par exemple pseudo-rectangulaire, circulaire ou polygonale, dont une ouverture est en communication avec le canal principal. Une chambre de recirculation peut être une région élargie de part et d'autre du canal principal sur une longueur donnée. Cette région élargie présente avantageusement une paroi en amont sensiblement perpendiculaire à l'axe de circulation du fluide dans le canal principal. Il est ainsi possible de réaliser la fonction de concentration avec de faibles cisaillements, car, dans les chambres de recirculation, le fluide circule à faible vitesse (notamment entre 5�m/s et 1000�m/s pour une vitesse moyenne dans le canal principal comprise entre 1. mm/s et 50 mm/s), ce qui est particulièrement avantageux dans le cas d'objets biologiques peu cohésifs et fragiles, notamment d'amas de cellules et plus particulièrement d'îlots de Langerhans. Un dispositif de tri et de prélèvement peut être également un canal transverse en communication avec le canal, comportant un moyen de prélèvement continu. . La dimension du canal et le débit de prélèvement permettent de régler la taille des particules triées. Le canal transverse peut également comprendre un dispositif de pompage de fuite, le prélèvement des particules étant alors réalisé de façon séquentielle ou continue. Plusieurs dispositifs de tri et de prélèvement peuvent être disposés 30 en cascade de manière à recueillir des particules de tailles croissantes. Au moins un dispositif de focalisation additionnel peut être disposé entre deux desdits dispositifs de tri et de prélèvement en cascade. Les dimensions de l'ouverture de chaque dispositif de tri et de prélèvement permettent de sélectionner les particules ou amas de particules à prélever 35 en fonction de la position de leur ligne d'écoulement, cette dernière dépendant de leur taille en aval de l'étage de focalisation. Au moins une chambre de recirculation ou un canal transverse peut être couplé avec un canal de pompage de fuite en continu, dont le débit est notamment compris entre 0,1 �l/h et 500.11/h. Avantageusement, ce canal de pompage de fuite en continu, ne permet pas de prélever les particules mais assure un pompage de fluide dans les zones de recirculation. En effet, l'objectif n'est pas de prélever des particules présentes dans la chambre concernée, mais de pomper le fluide présent dans ladite chambre. Le débit dudit canal de pompage de fuite peut être ajustable, ce qui permet de modifier les lignes d'écoulement pénétrant dans une chambre de recirculation, et donc de sélectionner la taille des particules entrant dans ladite chambre. Cette variation de débit constitue ainsi un paramètre supplémentaire de réglage du procédé. Afin de prélever les particules ayant été concentrées dans une chambre de recirculation, au moins un canal de prélèvement de particules peut-être couplé à au moins une chambre de recirculation, le prélèvement de particules étant réalisé de façon séquentielle, selon un débit faible, de l'ordre de quelques pi / min à quelques gl/h, en fonction du cisaillement que peuvent supporter les particules ou amas de particules. Le procédé peut également être caractérisé en ce qu'il comporte au moins une rangée de piliers inclinés par rapport à l'axe du canal principal et s'étendant entre ladite paroi du canal principal le long de laquelle s'effectue ladite focalisation et la paroi opposée, pour dévier les particules du diamètre supérieur à un diamètre donné Dc, et en ce qu'il comporte une chambre de recirculation débouchant dans ladite paroi opposée du canal principal, au voisinage et en amont de la rangée de piliers. Une rangée de piliers peut être disposée en aval d'un dispositif de focalisation et entre celui-ci et une chambre de recirculation et/ou entre deux chambres de recirculation. L'invention concerne également un dispositif de tri de particules entraînées dans un fluide circulant dans une direction axiale d'un canal principal, caractérisé en ce qu'il comporte dans une première région de section sensiblement constante de canal principal, un dispositif de focalisation, qui peut présenter au moins un canal latéral sous une incidence a d'au moins 5.°, ainsi qu'un dispositif de tri et de prélèvement dans une deuxième région du canal principal en aval de ladite première région. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après, en liaison avec les dessins dans lesquels : - la figure 1 illustre la focalisation hydrodynamique des particules vers une paroi, selon l'invention, - les figures 2a et 2b illustrent une dite focalisation hydrodynamique, associée avec un prélèvement de flu:.de, selon l'invention, - les figures 3a à 3c illustrent la mis en oeuvre d'une zone de recirculation sous forme d'une cavité fermée, selon l'invention, dont les figures 4a à 4d illustrent des exemples de géométrie, la figure 4e étant un diagramme montrant le nombre de Reynolds Re limite pour obtenir une recirculation pour différents diamètres de chambres, et les figure 4f et 4g illustrant les flux de recirculation dans une chambre respectivement cylindrique et rectangulaire. - la figure 5 illustre la mise en oeuvre de trois cavités en losange en cascade, - la figure 6 illustre la mise en oeuvre d'une zone de recirculation sous forme d'une région élargie du canal principal, - les figures 7a et 7b représentent un dispositif selon l'invention ayant une zone de recirculation dans une cavité de recirculation sous forme d'une région élargie associée avec un dispositif de prélèvement séquentiel des particules, respectivement en position fermée et ouverte, - la figure 8 illustre un mode de réalisation d'un dispositif de 20 prélèvement séquentiel de particules dans une zone de recirculation, - les figures 9 à 11 illustrent le tri des particules selon leur taille en fonction du débit de prélèvement dans un canal transverse. - la figure 12 illustre le tri des particules selon leur taille en fonction du débit de pompage de fuite 25. Elle correspond à un "zoom" de la chambre de 25 recirculation représentée en figure 4f. - les figures 13 à 17 illustrent le tri des particules selon leur taille et à l'aide d'une rangée de piliers pour chaque taille de particules à trier. L'invention permet de réaliser une focalisation des particules submillimétriques entraînées dans un canal principal par un fluide ainsi que leur tri et 30 leur prélèvement. Elle peut également permettre une concentration de ces particules avant leur prélèvement. Le tri s'effectue à l'aide d'un canal ou d'une chambre communiquant avec le canal principal par une ouverture dimensionnée en fonction du 35 tri à réaliser. La description ci-après montre divers dispositifs de tri et de prélèvement, selon trois modes de réalisation principaux : - un tri et concentration par une chambre de recirculation en communication avec le canal principal, avec un prélèvement séquentiel des particules (fig. 3a à 3c, 4a à 4d, fig. 4g, 5, 6, 8) ; - un tri et concentration par une chambre de recirculation ayant un débit de fuite fixe ou variable, ainsi qu'un prélèvement séquentiel des particules ; le débit de fuite ainsi que la taille de l'ouverture en communication avec le canal principal déterminant la taille des particules triées, (fig. 4f et 12) ; - un tri par un canal communiquant avec le canal central, dit canal transverse ayant un moyen de prélèvement continu dont le débit de prélèvement est fixe ou variable, ce débit de prélèvement ainsi que le diamètre d'entrée du canal transverse fixant la taille des particules triées. Ce mode de réalisation ne permet pas une concentration des particules mais seulement un tri et un prélèvement de celles-ci (fig. 9 à 11). - un tri par un canal communiquant avec le canal central, dit canal transverse ayant un moyen de prélèvement séquentiel 27, dont le débit de prélèvement est fixe ou variable, ainsi qu'un moyen de pompage de fuite 25, les débits de prélèvement et de fuite ainsi que le diamètre d'entrée du canal transverse fixant la taille des particules triées. Ce mode de réalisation ne permet pas une concentration des particules mais seulement un tri et un prélèvement de celles-ci . Selon la figure 1 (a= 90°), une solution de particules 10 à trier circule dans le sens de la flèche F dans un canal principal 1 de section sensiblement constante avec une vitesse moyenne de flux Vo. Le canal principal 1 a une section de préférence carrée ou rectangulaire de largeur w° et de profondeur p. Une solution de focalisation est injectée dans le sens de la flèche F' dans un canal auxiliaire 2 débouchant dans un ou plusieurs canaux latéraux 3 pour réaliser une injection latérale dans le sens des flèches F", de préférence perpendiculairement à la flèche F. Une incidence a comprise entre 5° et 90° dans le sens de l'écoulement dans le canal principal 1 peut être également choisie. Cette injection latérale a pour effet que les particules 10 qui sont réparties de façon aléatoire dans le canal principal 1 dans la région amont 4 sont déviées dans une zone de focalisation 30 sur la paroi 7 et focalisées dans la région aval 5 du canal principal, région opposée à la paroi 6 à partir de laquelle a lieu l'injection latérale. D'autres types de focalisation des particules sur les parois peuvent être mis en oeuvre, notamment, un système de focalisation basé sur un principe à la fois d'injection et de prélèvement de fluide comme décrit sur la Figure 2a. Dans ce cas, dans la zone de prélèvement de fluide 20, les canaux de prélèvement de fluide 21 qui débouchent dans un canal de prélèvement de fluide 22 sont suffisamment petits pour empêcher toute particule de pénétrer dans ces canaux transverses. Le principal avantage de ce dispositif de focalisation par rapport à celui présenté dans la Figure 1, est qu'il permet d'imposer un débit de prélèvement de fluide pour contrecarrer l'effet de dilution provenant de la focalisation par injection. De plus, de par la disposition des canaux 21 en vis-à-vis et/ou immédiatement en aval de la zone d'injection 30, il permet d'améliorer la focalisation des particules à la paroi tout en limitant la vitesse nécessaire du fluide en entrée du système de focalisation par injection. La combinaison des deux éléments permet donc de diminuer à la fois la dilution et les forces de cisaillement qui s'appliquent sur les particules au niveau de la zone de focalisation. Dans l'exemple de la figure 2a, le débit de prélèvement Qprélèvement (flèche F"') peut être le même que le débit d'injection (Injection pour limiter ou supprimer l'effet de dilution que produit l'injection. Vinjection et Vprelevement désignent la vitesse moyenne du fluide respectivement d'injection et de prélèvement. La figure 2b est un agrandissement: d'un détail de la figure 2a qui montre une bonne focalisation à la paroi des lignes d'écoulement du fluide contenant les particules à trier. Le fluide injecté qui sert de tampon de focalisation peut être le même que celui qui contient les particules à trier. Cette condition n'est en rien obligatoire, et il est tout à fait possible d'utiliser deux tampons différents, de préférence miscibles. Suite à cet étage de focalisation, les particules s'écoulent dans le fluide, selon un écoulement laminaire, en étant triées selon leur diamètre : - les plus petites particules se retrouvent sur des lignes d'écoulement extrêmement proches des parois et peuvent être déviées vers des zones de recirculation. - les plus grosses particules ont leur centre de gravite plus éloigné des parois, et de ce fait suivent des lignes d'écoulement différentes des plus petites particules, en suivant le flux continu et laminaire d'écoulement du fluide. On aboutit ainsi à une répartition des petites et des grosses particules selon la position de la ligne d'écoulement, le positionnement des particules sur les lignes d'écoulement étant dépendante de leur centre d'inertie, et donc de leur taille, dans un écoulement laminaire. Pour obtenir un tri efficace, il convient d'accentuer la différence de position entre les lignes d'écoulement des petites et des grosses particules. Il est connu de l'art antérieur d'accentuer la différence de position par un brusque élargissement du canal principal ou par une aspiration ou pompage localisé du fluide, cette dernière possibilité étant décrite dans la demande W02006/102258. Les moyens de tri décrits dans cette demande ne sont pas 10 paramétrables. De plus, aucune combinaison avec un moyen de concentration n'est décrite. Une des originalités de la présente invention, est en effet la disposition, en aval d'un étage de focalisation, d'une ou plusieurs chambres de recirculation, accessibles à des particules en fonction de leur taille, ce qui permet un tri 15 des particules selon leur taille, et d'en assurer le prélèvement tout en permettant éventuellement de concentrer les dites particules triées. La concentration de particules peut être obtenue par leur accumulation dans au moins une zone de recirculation, dans lesquelles les vitesses, et donc les forces de cisaillement, sont faibles. . L'article de SHELBY et Collaborateurs (voir supra) montre une 20 concentration de particules pour des contraintes de cisaillement de l'ordre de 105 Pa, grâce une accélération centrifuge dans la chambre de recirculation de l'ordre de 104 m/s2. De tels ordres de grandeurs ne sont pas compatibles avec la manipulation de particules ou d'amas de particules fragiles, tels les îlot; de Langerhans. Un dispositif selon l'invention permet d'obtenir des zones de recirculation, et donc une 25 concentration pour des taux de cisaillement de l'ordre de 5 Pa, car il ne fonctionne pas du tout sur la mise en oeuvre de la force centrifuge pour séparer et concentrer les particules. Les accélérations centrifuges sont par exemple de l'ordre de 10-5 m/s2 dans la présente invention. L'invention peut donc être avantageusement utilisée pour la manipulation et la concentration de particules ou des amas de particules fragiles, tels 30 les ilots de Langerhans. Comme l'a montre l'état de l'art, la dilution est le gros inconvénient de la plupart des techniques hydrodynamiques de tri existantes. Pour résoudre ce problème, on utilise le pouvoir concentrateur de zones de recirculation. Comme le montrent les Figures 3a à 3c, le pouvoir séparateur de ces chambres de recirculation 40 35 provient des fortes différences de vitesses existant entre le canal principal et la zone de recirculation, différence qui est fortement dépendante de la géométrie de la chambre. On considère deux particules 101 et 102, qui sont animées d'une vitesse V et séparées d'une distance L dans le canal principal 1, et d'une vitesse v et séparées d'une distance 1 dans la chambre de recirculation 40. Dans le canal principal les deux particules sont séparées de : r = V Dans la cavité les deux particules so:It séparées de : r = l v Lorsque les deux particules se retrouvent dans la cavité on a donc : Comme v La figure 5 montre en vue de dessus trois cavités en losange 401, 402 et 403 qui sont mises en cascade. Les carrés qui apparaissent au centre de ces cavités correspondent à des canaux de prélèvement de particules 27 qui seront explicités plus tard. Dans le canal principal, la vitesse maximale est par exemple de 1,9 mm/s et au niveau des cavités 401 à 403, elle est de d'ordre de 7G �m/s (elle s'y échelonne entre 5 �m/s et 70 �m/s). La très nette différence de vitesse entre le canal principal 1 et les cavités 401 à 403 permet de concentrer les particules. Dans ce cas, la sélection par taille des particules, réalisée à l'ouverture de ces cavités, est opérée par ordre croissant : les plus petites particules sont collectées par la cavité 401, les particules un peu plus larges collectées par la cavité 402 etc.. Système de prélèvement des particules L'invention comprend également un système de prélèvement permettant de récupérer les particules accumulées dans les chambres de 15 recirculation 40. Il s'agit d'un prélèvement séquentiel à partir d'un canal de prélèvement 27 commandé par une vanne fluidique 26. Lorsque la vanne est fermée (Figure 7a) les particules s'accumulent au niveau des zones de recirculation 41a et 41b des chambres 40 où s'effectue la recirculation. Une fois les particules concentrées, la 20 vanne 26 est ouverte (Figure 7b) et les lignes d'écoulement sont déviées suite à l'ouverture de la vanne 26, ce qui permet de récupérer les particules concentrées et triées dans le canal 27. On peut par exemple utiliser comme représenté, une vanne fluidique 26 dont l'ouverture et la fermeture sont contrôlées thermiquement : lorsque l'air est 25 maintenu à température ambiante, la vanne 26 est ouverte et le prélèvement est réalisé en supprimant la circulation 41 et en formant un écoulement 42. En augmentant la température de l'air contenu dans la chambre (au moyen d'une résistance chauffante R), on augmente la pression du gaz contenu dans la chambre. Le gaz 28 s'introduit alors dans le canal 25 et vient bloquer le passage du fluide. 30 Le mode de réalisation représenté à la Figure 8 met en oeuvre un canal de prélèvement 27 (voir aussi figure 4b) au centre d'une cavité fermée 40, par exemple circulaire, de concentration des particules. Le débit dans le canal de prélèvement 27 est faible (quelques gl/min à quelques gl/h). Couplage passif tri/concentration avec piliers 35 Selon un autre mode de réalisation, l'invention met en oeuvre un système de tri couplé à des zones de recirculation avec un couplage également purement passif, dans le sens où c'est seulement la géométrie du dispositif qui provoque la pénétration des particules dans les zones de recirculation. Cette configuration est préférée dans le cas d'amas de cellules de taille importante, tels les îlots de Langerhans. Le fonctionnement du dispositif comprend 2 étapes : tout d'abord, les particules sont focalisées sur la paroi 7 opposée à la chambre de recirculation, ainsi que décrit ci-dessus. Le tri est ensuite assuré par une rangée 60 de piliers 50 formant un angle déterminé R par rapport à l'axe du canal principal 1. Les caractéristiques géométriques de ces piliers 50 de diamètre cl) sont telles que les particules plus petites qu'une taille critique Dc ne sont globalement pas déviées, car elles franchissent l'obstacle constitué par la ligne de piliers 50, tandis que les particules plus grandes que la taille critique Dc sont déviées à chaque rangée de piliers, et ce toujours dans la même direction, vers la chambre de recirculation 40, On notera que dans ce cas, l'ouverture de la chambre de recirculation est préférentiellement réalisée sur la paroi opposée à la paroi 7, c'est-à-dire du même côté que le dispositif de focalisation. Ce dispositif permet d'effectuer un tri par taille décroissante. La ligne 60 de piliers 50 dans ce dispositif permet d'effectuer un tri par taille en déviant les particules selon leur taille comme décrit par exemple par HUANG dans "Continuous particles séparation through déterministic lateral displacement" paru dans Science, 2004, 304 p. 987 à 990, à la différence que seule est mise en oeuvre une ligne de piliers û au lieu d'un réseau de piliers û ce qui est possible grâce à la focalisation préalable des particules le long de la paroi 7. Elle permet ainsi de s'assurer que les particules de taille choisie pénètrent dans les zones de recirculation : en effet l'encombrement stérique d'un pilier est tel que ce pilier impose à la particule de changer de ligne d'écoulement, ce qui la force à pénétrer dans les zones de recirculation. Le dimensionnement est essentiellement basé sur la morphologie des lignes de courant. Lorsque la vitesse de la particule est faible (c.à.d. que son inertie est négligeable), une particule de petite taille (diamètre inférieur à Dc) suit la ligne de courant passant par son centre de gravité (Figure 13) comme par exemple la particule 51 de diamètre inférieur à Dc. Par contre, une particule de diamètre supérieur ou égal à Dc est repoussée par la ligne de piliers, du fait de son encombrement stérique. La ligne de pilier la dévie donc de sa ligne de courant (cf. Figure 14), comme la particule 52, dont le diamètre est supérieur à Dc. Au final, les particules plus petites que la taille critique Dc continuent leur trajectoire à l'intérieur du canal 1, mais [es autres sont repoussées dans la zone de recirculation par la ligne de pilier 50 dont l'axe est incliné d'un angle f3 par rapport au sens de l'écoulement F, et elles y sont accumulées (cf. Figure 15). On notera qu'une rangée 60 de piliers peut être disposée entre deux chambres de recirculation 40 avec ou sans interposition d'un dispositif de focalisation, ce qui permet de réaliser des tris par tailles décroissantes. Les particules les plus larges étant plus facilement déviées, les cavités disposées en aval des piliers collecteront préférentiellement les particules qui auront été déviées, c'est-à-dire les plus larges. Le dimensionnement de ce système est donné par le schéma de la Figure 16. Les lignes de courant qui viennent s'arrêter sur les piliers 50 (cf. au niveau du point d'arrêt) sont les lignes critiques qui orientent les particules : - soit vers la sortie du canal principal, c'est-à-dire que les particules passent alors au travers de la ligne 60 de piliers 50 sans être déviées - soit vers les chambres de recirculation 40, lorsque la particule est déviée à chaque pilier 50 pour des raisons d'encombrement stérique. Ces lignes critiques ne sont pas strictement parallèles à l'axe du canal et on peut estimer qu'à quelques centaines de microns du pilier, la ligne critique est située à une distance cl) /2 de l'horizontale passant par le centre du pilier de diamètre cl). Ceci impose un espacement transverse entre deux piliers de l'ordre de Dc/2. L'espacement axial (e +ch) entre les centres de deux piliers 50 est donné par application du théorème de Pythagore : (Lo +(D )2 = (e +cD)2 + Dc2/4 Comme la distance Lo entre deux piliers doit être suffisamment grande pour ne pas faire un filtre, nous avons la condition supplémentaire Lo?aDc;a 1.25û1.50 On déduit l'espacement axial e entre les piliers 50 : e = ûcl) +-jl(aDc+(D)z ._Dcz /4J cos (3 = ( e+cD) / ( Lo+(D), et cl), e et Lo sont imposés, donc f3 est 30 fixe. La figure 17 est une vue d'ensemble d'un dispositif de tri et de recirculation mettant en oeuvre une ligne 60 de piliers 50 ainsi qu'un élargissement 1' du canal principal au niveau de la ligne 60 de piliers 50. La chambre de recirculation 40 représentée aux figures 15 et 17 peut 5 présenter un canal de prélèvement 27, pour permettre de prélever les particules après concentration (par exemple comme à la figure 7a ou 7b). Exemples de modélisation d'un système de tri et de concentration Exemple 1 : dispositif de tri, concentration et prélèvement comportant une ligne de piliers. 10 Le dispositif de tri selon la figure 17 est conçu de telle sorte que les particules de taille inférieure à 204tm passent au travers de la ligne de piliers sans être globalement déviées, tandis que les particules de taille supérieure à 200�m sont déviées à chaque pilier vers la chambre de recirculation. Les caractéristiques du système proposé ont été déterminées à partir 15 des règles de dimensionnement indiquées : - Diamètre critique Dc du tri : 200�m - Diamètre des piliers : ct) = 150�m - Espacement transverse entre deux piliers : 100�m (Dc/2) - Espacement axial e + cI = 440�m, Lo = 300�m 20 Selon un autre mode de réalisation, l'invention met en oeuvre un système de tri couplé à des zones de recirculation avec un couplage actif, dans le sens où la géométrie du dispositif couplée à un pompage de fuite provoque la pénétration des particules dans les zones de recirculation. Un dispositif de pompage de fluide, dit pompage de fuite peut 25 également être prévu à l'intérieur d'une ou plusieurs chambres de recirculation. . Par l'exemple 2, on comprendra que le principal avantage du pompage de fuite est qu'il peut être aisément modulé, ce qui permet d'ajuster en conséquence les propriétés hydrodynamiques de l'invention. Exemple 2 : dispositif de tri et prélèvement par un canal transverse 30 La figure 9 illustre un exemple dans lequel un tri de particules est réalisé par un canal transverse 28, disposé de préférence perpendiculairement au canal principal Dans cet exemple, un moyen extérieur de prélèvement continu permet d'appliquer un débit de prélèvement Qprélèvement à travers ledit canal transverse. Pour qu'une particule pénètre dans le canal transverse 28, il faut que 35 son rayon soit plus petit ou proche de la largeur du flux entrant dans la cavité wi (voir figure 9). Cette largeur correspond à la distance w l, au-delà de laquelle les lignes d'écoulement ne pénètrent pas dans l'ouverture : en effet, les particules dont le centre d'inertie se déplace sur une ligne d'écoulement située au delà de la distance wl par rapport à la paroi 7, ne sont pas dirigées vers le canal transverse 28 et restent donc dans le canal principal. En revanche, les particules dont le centre d'inertie se déplace sur une ligne d'écoulement située en deçà ou proche de la distance wl par rapport à la paroi 7 sont déviées vers l'ouverture. On peut donc parler d'une collecte sélective par rapport à la taille. La taille maximale de la particule pouvant pénétrer dans la cavité est donc égale à 2w1. Partant de cette considération, l'intégration du profil de vitesse 10 parabolique de Purday permet de relier la taille des particules triées au débit de prélèvement continu Qprélèvement, Vpréiève,nent désignant la vitesse du fluide prélevé. Qprélèvement Qo r JEwo 2(r +1) 1ù(1ù Wl ) r+l wo / 2 1 où wo est la largeur du canal principal, wl le rayon de la particule 15 triée et b la profondeur du canal, et Qo le débit dans le canal principal 1. r est un exposant qui dépend du rapport a = wo /b si wo b ou a = b/wo si bS wo. Ona r=2pour a1/3 etr=2+0.3 (a - 1/3)pour a> 1/3. En ajustant le débit de prélèvement continu, il est possible de 20 récupérer et de concentrer dans une cavité différentes tailles de particules, la taille maximale d'une particule pouvant pénétrer dans la cavité étant 2 wl . Explication du caractère reconfigurable du dispositif : La taille des particules triées dépend à la fois du débit de prélèvement continu et de la géométrie. 25 Pour les dimensions suivantes (figure 10) : - canal principal : lmm de large (wo = 1 mm) pour une profondeur de lmm - canal transverse : lmm de large pour une profondeur de lmm Et une taille de tri souhaité de 200�m donc w1=100�m 30 L'application numérique de (1) donne : Qprélèvement _ Vprélèvement = 0,0295 Qo Vo Vo désignant la vitesse rnoyenne du fluide dans le canal principal 1. donc si Vo = 1 mm/s, on a Vprélèvement = 30 �m/s Des simulations numériques montrent (cf. Figure 10) que les lignes d'écoulement respectivement 45 et 46 situées à 501am et 75�m du bord 7 dans le canal principal 1 pénètrent complètement dans le canal transverse (28), que la ligne d'écoulement 47 située à 100�m de la paroi 7 est à la limite de la pénétration. Enfin toute ligne d'écoulement située à plus de 100�m de la paroi 7 (par exemple la ligne 48 située à 150 �m de la paroi 7) ne pénètre pas dans le canal transverse 28. En conservant la même géométrie. et en jouant sur les débits de fuite, on peut obtenir que la taille critique du tri soit 300�m : Dans ce cas, l'application numérique de (1) donne Qprélèvement _ Vprélèvement _ 0,0635 Qo Vo En conservant une vitesse en entrée du canal principal de lmm/s, cela impose une vitesse de prélèvement de 64m/s. Comme le montre la simulation Figure 11, on a cette fois une pénétration complète des lignes d'écoulement 45' et 46' éloignées respectivement de 50 tm et 1001am de la paroi 7, tandis qu'une ligne d'écoulement éloignée de plus de 150�m de la paroi 7, par exemple la ligne d'écoulement 48' située à 200 �m de celle-ci, ne peut pénétrer dans le canal transverse 28, la ligne d'écoulement 47' située à une distance de 150 itm de la paroi 7 étant à la limite de pénétration. Dans l'exemple ci-dessus, le guidage de lignes d'écoulement était réalisé à travers un canal 28 perpendiculaire au canal principal 1, avec un moyen permettant d'appliquer un débit de prélèvement continu, permettant ainsi de sélectionner les particules situées sur les lignes d'écoulement déviées, c'est-à-dire situées à une certaine distance de la paroi '1. Exemple 3 : Tri, concentration et prélèvement dans une chambre de recirculation Ce même principe peut-être décliné sur d'autres géométries, telles les cavités de recirculation, à l'intérieur desquelles on peul: avantageusement disposer d'un moyen externe de pompage de fuite 25, produisant un débit de fuite ajustable, ce qui permet de conférer un caractère paramétrable au dispositif. Ce moyen de pompage de fuite n'est pas indispensable, mais il constitue un paramètre supplémentaire, permettant de modifier les propriétés hydrodynamiques de l'invention, les autres paramètres (dimensions, viscosité du fluide, débit principal) étant fixes. De préférence, le pompage de fuite est réalisé à travers un canal de pompage de fuite, trop étroit pour que des particules y pénètrent, et débouchant dans une partie de chambre de recirculation située à l'extérieur d'une zone de concentration de particules. Un tel canal de fuite 25 peut être associé à toute chambre 40 de recirculation, disposée en aval d'un étage de focalisation 30. Une ligne de piliers 50 peut précéder l'ouverture de ladite chambre de recirculation. On peut donc coupler un tel canal de fuite 25 à une zone de recirculation 41 afin de réaliser une concentration de particules triées selon leur taille. lo L'exemple ci-dessous (figure 12) illustre un tel couplage : ce dispositif a été dimensionné de façon à ce que les particules de diamètre inférieur à 200�m (wi = 1001.tm) pénètrent dans les zones de recirculations 41 et se concentrent. Le dispositif est composé d'une zone de focalisation/tri et d'une zone de concentration dans les recirculati.ons qui apparaissent au niveau de la cavité 15 circulaire de 5mm de diamètre. Les caractéristiques géométriques de l'exemple donné ci-dessous sont les suivantes : - canal principal 1 : 1 mm de large (wo = 1 mm) et lmm de profondeur (p = 1 mm) - canal de focalisation 3 : 5001am de Large et lmm de profondeur 20 - canal de pompage de fuite 25 : 100�m de large sur lmm de profondeur - cavité 40 de diamètre 5mm. Si l'on impose une vitesse moyenne Vo en entrée de lmm/s, une vitesse de focalisation Vfocalisation de lmm/s et une pression en sortie égale à la pression 25 atmosphérique, l'application de la formule (1) indique que la vitesse de fuite doit être de 450�m/s : Qfocalisation = Vfocalisation * S= (1.10 3) * (500.10-6) *(1.l (y3) = 0.5.10-9 m3/s Qprincipar = Vprincipal * S= (1.10-') * (1.10--3) * (1.10-3) = 1.10-9 m3/s 30 Qo= 1,5.109 m3/s Avec S = wo * P Donc : Q fuite = 0,03*Qo = 0,045.10-9 = V fuite x S Ce qui donne : Q 9 0.045.10 f111e = 0.045.10-2 mi s = 450,um / s 3 Vl' 3 _ ,te = (l00.10 )*(1.10ù) (1.10 )*(a.10ù ) La modélisation numérique ci-dessous montre que : - les lignes d'écoulement à 50�m de la paroi 7 après focalisation pénètrent bien dans la cavité de recirculation 40, tandis que celles situées par exemple à 150�m de la paroi 7 sont exclues des zones de recirculations. - et le pompage de fuite 25 ne supprime pas les zones de recirculation (cf. figure 4f). A la figure 12, au milieu de la zone de recirculation 41, on trouve un canal de prélèvement séquentiel 27. Pour illustrer le caractère paramétrable de l'invention, un exemple est donné en liaison avec une cavité circulaire 40 (figures 4b ou 8) de diamètre 1,5mm avec Qo = 15 �l/mn, canal principal 1 carré 500 �m x 500 �m, canal de pompage de fuite 25 carré 300 gm x 300 �m. - a) Vmax = 1,8 mm/s (vitesse maximale dans le canal principal) ; V',nax = 50 amis (vitesse maximale dans la cavité) Taille critique 2w1 = 100 �m avec Q fuite = 26 �l/h - b) Vmax = 1,8 mm/s ; V'raax= 18 �m/s 2w1 = 50 lam avec Q fuite = 6,9 �1/h - c) Vmax = 1,8 mm/s ; V',m ax= 14 'amis 2w1 = 10 lam avec Q fuite = 0,3 tl/h La vitesse maximale des particules dans la cavité 40 est respectivement 36 fois, 100 fois et 129 fois plus faible que la vitesse maximale dans le canal principal. On comprendra que de telles vitesses sont adaptées à la concentration d'amas de cellules fragiles et peu cohésifs, tels les ilots de Langerhans. La notion de taille critique signifie que les particules plus petites que la taille critique pénètrent dans la cavité et s'y concentrent, alors que les particules plus grandes que cette taille critique continuent dans le canal principal sans pénétrer dans la cavité ou en ressortent. L'exemple ci-dessus montre qu'avec un même débit d'entrée Qo et une même géométrie, il est possible de faire varier la taille critique dans un rapport de 10 (entre 10 lam et 100 �m) en faisant varier le débit Qmite• Le dispositif selon l'invention est ainsi plus souple d'utilisation puisque avec les mêmes caractéristiques géométriques, l'utilisateur peut obtenir différentes tailles critiques de tri. Ceci est avantageux, notamment vis-à-vis de la technique décrite par M. YAMADA et M. SEKI (art:,cle précité Lab Chip 2005, p. 1233 à 1235) dans lequel il faut ajuster des résistances fluidiques des canaux transverses ou bien vis-à-vis des techniques connues par pincement de flux qui ne permettent pas de définir une taille critique. 20 25 L'invention peut être utilisée pour trier et concentrer des particules biologiques ou non. Ainsi en adaptant lés dimensions du microsystème l'invention pourrait être utilisable par exemple pour : - des particules de polymère, des nano-particules, des particules 5 métalliques - des cellules animales ou végétales, des organelles, des microorganismes, des protéines, des molécules d'ADN... En particulier ce dispositif de tri/concentration peut être applicable au tri des îlots de Langerhans, amas de cellules fragiles de taille variant entre 201am et 10 500�m. L'obtention d'une population monodispersée d'ilots peut être intéressante par exemple pour réaliser des études de pharmacocinétique, ou encapsuler les îlots dans des capsules de taille adaptée. Un dispositif de tri par taille d'amas de cellules est en soit un aspect 15 innovant de l'invention car de par leur taille et leur fragilité un seul dispositif permet à l'heure actuelle de trier ces amas, mais ce n'est en aucun cas un dispositif microfluidique. Le microsystème est stérilisable de façon à pouvoir l'utiliser pour le tri et la concentration de particules biologiques. En entrée, le déplacement du fluide peut être contrôlé en pression ou en débit. Le dispositif est principalement prévu pour fonctionner en phase aqueuse ou en milieu de culture qui d'un point de vue fluidique se comporte comme l'eau. Toutefois, il est possible de l'utiliser avec d'autres types de liquide ou solutions de polymères à conditions d'adapter les géométries des chambres de recirculation au liquide considéré en tenant compte de la densité et de la viscosité du liquide considéré. En outre, le dispositif de tri pourra avantageusement être stérilisable. 30 REVENDICATIONS: 1) Procédé de tri de particules submillimétriques ou d'amas de parcticules submillimétriques entraînées dans un fluide circulant dans une direction axiale d'un canal principal, les particules ayant une densité différente de celle du fluide, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre dans une première région du canal principal, une focalisation des particules le long d'une paroi (7) du canal principal (1) par au moins un dispositif de focalisation et en aval de ladite région, une collecte de particules dans au moins un dispositif de tri et de prélèvement en communication avec le canal principal par une ouverture de telle sorte qu'une sélection des particules collectées soit réalisée par le dispositif de tri et de prélèvement en fonction de la taille desdites particules. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première région a une section sensiblement constante et en ce que ladite focalisation est effectuée par une injection dans le canal principal d'un fluide à partir dudit dispositif de focalisation lequel présente au moins un canal latéral (3) sous une incidence a au moins égale à 5.° et de préférence sensiblement égale à 90° pour focaliser les particules sur une dite paroi (7) du canal principal (1) en aval de la région où est effectuée l'injection latérale, 3) Procédé selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce 20 qu'il met en oeuvre à l'opposé de la région d'injection et en vis-à-vis et/ou en aval de celle-ci, un prélèvement par au moins un canal de prélèvement (21). 4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la dimension du ou des canaux de prélèvement (21) est inférieure à celle des particules les plus fines circulant dans le canal principal. 25 5) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un dispositif de tri et de prélèvement est une chambre de recirculation (40) en communication avec le canal principal (1) et présentant au moins une zone de recirculation (41) pour concentrer les particules collectées, ainsi qu'un moyen de prélèvement séquentiel (27). 30 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la vitesse moyenne dans le canal principal (1) est comprise entre 1. et 50. mm/s et en ce que la vitesse dans une zone de recirculation (41) et comprise entre 5 et 1000 �m/s. 7) Procédé selon une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'au moins une chambre de recirculation (40) est couplée à un canal de pompage de 35 fuite (25), 8) Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un dispositif de tri et de prélèvement est un canal transverse (28) en communication avec le canal principal (a) et couplé avec un moyen de pompage permettant s'assurer un prélèvement en continu 9) Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un dispositif de tri et de prélèvement est un canal transverse (28), en communication avec le canal principal (1), et couplé avec un moyen de pompage de fuite (25) ainsi qu'avec un moyen de prélèvement séquentiel ou continu (27). 10) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en l0 ce qu'il présente une pluralité de dispositifs de tri et de prélèvement en cascade (401, 402, 403) agencés de manière à recueillir des particules de tailles croissantes. 11) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins un dispositif de focalisation additionnel est disposé entre deux desdits dispositifs de tri et de prélèvement en cascade. 15 12) Procédé selon une des revendications 5 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une rangée (60) de piliers inclinés par rapport à l'axe du canal principal (1) et s'étendant entre ladite paroi (7) du canal principal (1) le long de laquelle s'effectue ladite focalisation et la paroi opposée (6), pour dévier les particules du diamètre supérieur à un diamètre donné Dc, et en ce qu'il comporte une chambre de 20 recirculation (40) débouchant dans ladite paroi opposée (6) du canal principal (1) au voisinage et en amont de la rangée (60) de piliers (50). 13) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'une dite rangée de piliers (60) est disposée en aval d'un dispositif de focalisation et entre celui-ci et une chambre de recirculation (40). 25 14) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la rangée de piliers (60) est disposée entre deux chambres de recirculation (40). 15) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une région élargie du canal principal constituant une chambre de recirculation. 30 16) Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la région élargie du canal principal comporte au moins une paroi amont sensiblement perpendiculaire à l'axe de circulation du fluide dans le canal principal. 17) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une chambre de recirculation (40) de forme pseudo- 35 rectangulaire, circulaire ou polygonale, une dite chambre de recirculation (40) étant en communication avec le canal principal (1) par une ouverture. 18) Procédé selon une des revendications 7 et 9, caractérisé en ce que le débit de fuite dans le canal de pompage de fuite (25) s'effectue de façon continue avec un débit ajustable, de manière à sélectionner la taille des particules. 19) Procédé selon une des revendications 18, caractérisé en ce que le débit dans un canal de pompage de fuite (25) est compris entre 0,1 �l/h et 500 �1/h. 20) Dispositif de tri de particules entraînées dans un fluide circulant dans une direction axiale d'un canal principal, caractérisé en ce que le canal principal (1) présente une première région présentant un dispositif de focalisation (3), ainsi qu'une deuxième région, située en aval de ladite première région, et présentant au moins un dispositif de prélèvement (28, 40).