Brevet FR2978437A1 — publié le 20130201

i Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif micro-fluidique ayant une chambre pour stocker ou recevoir un liquide. Etat de la technique Les dispositifs microfluidiques s'appliquent par exemple à des systèmes appelés "systèmes de laboratoire sur puce" dans des applications d'analyse de l'environnement ou analyse médicale. On place un liquide dans le dispositif microfluidique et on le mélange à d'autres liquides. io Selon le document US 20060029808 il est connu d'utiliser une surface super-hydrophobe comme couche évitant le dépôt de saleté dans des canaux microfluidiques. La surface ainsi décrite est constituée par une couche multiple de polyélectrolyte sur un substrat. Exposé et avantages de l'invention 15 La présente invention a pour objet un dispositif micro-fluidique comportant une chambre pour stocker un liquide, et caractérisé en ce que la chambre a une paroi intérieure dont la surface est au moins partiellement hydrophobe ou super-hydrophobe. Le dispositif microfluidique selon l'invention a l'avantage 20 vis-à-vis des dispositifs microfluidiques connus, de permettre de manipuler de petites quantités de liquide, par exemple 2 direction de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge agissant sur le liquide. Ainsi, de petites quantités de liquide s'accumulent à l'entrée ou embouchure du canal dans la chambre et ces petites quantités de liquide peuvent ainsi être évacuées de la chambre. Suivant une caractéristique avantageuse, l'entrée est pré-vue dans une paroi en forme d'entonnoir ou de demi-sphère ce qui améliore le roulement des gouttelettes de liquide jusqu'à l'entrée du canal. De façon particulièrement avantageuse le dispositif microfluidique est caractérisé en ce qu'il comporte une première couche et une seconde couche, au moins une couche étant structurée, et les couches sont reliées pour former entre elles le canal ce qui facilite ainsi l'intégration de la chambre dans le dispositif microfluidique. Suivant une autre caractéristique avantageuse, la 15 chambre comporte au moins un orifice pour équilibrer la pression, appliquer une surpression ou introduire un liquide ce qui évite ainsi que ne s'établisse une poussée qui s'opposerait au mouvement du liquide en direction de l'embouchure du canal. De façon particulièrement avantageuse, la surface super- 20 hydrophobe a un angle de contact d'hystérésis au plus de 10°. Un tel angle de contact d'hystérésis fait qu'une gouttelette sur la surface super-hydrophobe roule déjà pour un angle de basculement faible. En particulier, une combinaison d'un faible angle de contact d'hystérésis et d'un angle de contact élevé pour la surface hydrophobe est avantageuse 25 car dans ce cas plus aucune gouttelette de liquide ne reste accrocher à la paroi intérieure de la chambre. De façon particulièrement avantageuse, la caractéristique super-hydrophobe de la surface est obtenue par des microparticules hydrophobes appliquées sur la surface, par une couche de polymère 30 hydrophobe appliquée sur la surface, par électrofilage de fibres hydrophobes, par introduction de plaquettes de silicium microstructurées rendues hydrophobes par un procédé sol-gel et/ou par gravure à l'aide d'un plasma. Cette caractéristique simplifie le procédé de fabrication. 3 L'invention a également pour objet un procédé pour remplir et pour vider une chambre dont la paroi intérieure au moins en partie une surface super-hydrophobe, consistant à : a. aligner la chambre dans le champ d'une force de gravitation et/ou d'une force centrifuge, b. remplir la chambre par un canal d'entrée avec un liquide, c. stocker le liquide dans la chambre, et d. vider la chambre par un canal de sortie. Dessins io La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples d'un dispositif microfluidique représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 montre une chambre d'un dispositif microfluidique selon l'invention, 15 la figure 2 montre un premier exemple de réalisation d'un dispositif microfluidique selon l'invention, la figure 3 montre un second exemple d'un dispositif microfluidique selon l'invention, la figure 4 montre un troisième exemple de réalisation d'un dispositif 20 microfluidique selon l'invention, la figure 5 montre un quatrième exemple de réalisation d'un dispositif microfluidique selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre une chambre 1 d'un dispositif micro- 25 fluidique selon l'invention pour recevoir un liquide. La chambre 1 est représentée dans une position de fonctionnement dans laquelle la force de gravitation et/ou la force centrifuge agissent dans la direction de la flèche 9. Selon la figure 1, la force de gravitation et/ou la force centrifuge 9 sont dirigées vers le bas. La chambre 1 est réalisée pour que son 30 ouverture 4 selon la figure 1, corresponde au côté supérieur. La chambre 1 a un côté inférieur 20 en forme d'hémisphère. La paroi intérieure 6 de la chambre 1 comporte une première zone 22 munie d'une surface super-hydrophobe 2 et une seconde zone 3 munie d'une surface avec un angle de contact plus faible que celui de la surface super- 35 hydrophobe 2. A titre d'exemple, la surface de la seconde zone 3 n'est 4 pas super-hydrophobe. La chambre 1 est alignée par son côté inférieur 20 qui comporte la paroi intérieure en forme de demi-sphère dirigée dans la direction de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge 9. La direction ou l'alignement de la chambre 1 dans la direction de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge 9, désigne la direction de la chambre 1 pour laquelle la direction longitudinale 19 de la chambre 1 le vecteur de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge 9 résultante, fait un angle inférieur à 45°. La figure 1 montre une première quantité de liquide 7 et io une seconde quantité de liquide 8. La force de gravité et/ou la force centrifuge 9 agissent sur les deux quantités de liquide 7, 8. La quantité de liquide 7 qui est par exemple une goutte d'un volume inférieur à 100 µl, est située sur la paroi intérieure 6 de la première zone 22 munie de la surface super-hydrophobe 2 de la chambre 1. La première quanti- 15 té de liquide 7 est éloignée du côté inférieur 20 en forme de demi-sphère de la chambre 1, si bien que le mouvement de la première quantité de liquide 7 n'est pas arrêté dans la direction de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge 9 par la paroi intérieure 6 de la chambre 1. C'est pourquoi, sous l'effet de la force de gravitation 20 et/ou de la force centrifuge 9 selon la figure 1, le premier liquide 7 se déplace le long de la paroi intérieure 6 en descendant vers le côté inférieur 20 en forme de demi-sphère de la chambre 1. La direction de dé-placement de la première quantité de liquide 7 est indiquée par une petite flèche 17. Comme la surface super-hydrophobe 2 de la chambre 1 25 réduit la tension superficielle agissant sur le premier liquide 7, la force de gravitation et/ou la force centrifuge 9 agissent sous la forme d'une force volumique sur la première quantité de liquide 7. C'est pourquoi, cette première quantité de liquide 7 ne reste pas accrochée à la paroi intérieure 6 de la chambre 1. La seconde quantité de liquide 8 se trouve 30 à l'intérieur de la chambre 1 et est appliquée au milieu de la paroi intérieure 6 en forme de demi-sphère du côté inférieur 20. La seconde quantité de liquide 8 montre la région dans laquelle le liquide s'accumule sur la force de gravitation et/ou la force centrifuge 9 agissant sur elle dans la chambre. Dans cet état de fonctionnement, les liquides 35 s'accumulent sous l'effet de la surface hydrophobe 2 et de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge 9 sur le fond en forme de demi-sphère de la chambre. La figure 2 montre la chambre 1 selon l'invention dans un dispositif microfluidique 5 selon l'invention. Le dispositif microflui- 5 dique 5 comporte une chambre 1 ayant une première couche structurée 10, une seconde couche structurée 11, un canal d'entrée 12, un canal de sortie 15 ainsi que le cas échéant un couvercle non représenté. Le canal d'entrée 12 est relié par un premier passage 13 à l'intérieur de la chambre 1. Le canal de sortie 15 est relié par un second passage 14 à io l'intérieur de la chambre 1. Le canal d'entrée 12 et le canal de sortie 15 débouchent tous deux par les deux passages 13, 14 dans la région en forme de demi-sphère de l'embouchure 21 de la paroi intérieure 6 de la chambre 1. Selon la figure 1, la chambre 1 avec son axe 19 est installée en tenant compte de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge 15 agissant dans la direction de la flèche 9. La seconde couche 11 est installée sur la première couche 10 de façon que les structures de la première couche 10 prévues pour former le canal d'entrée 12 et le canal de sortie 15 soient fermées au niveau du côté des structures tourné vers la seconde couche 11. Ainsi, le canal d'entrée 12 et le canal de sortie 15 20 sont réalisés entre la première couche 10 et la seconde couche 11. Le liquide peut ainsi être pompé dans la chambre 1 à travers le canal d'entrée 12 et le premier passage 13. Sous l'influence de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge 9, le liquide s'accumule dans la région 21 de forme hémisphérique à l'intérieur de la chambre 1. 25 Cette région de forme hémisphérique de l'orifice d'entrée ou embouchure 21 de la paroi intérieure 6, constitue le fond de la chambre. Le liquide accumulé au fond de la chambre peut alors être transféré par la surpression régnant dans la chambre 1 et/ou la dépression régnant dans le canal de sortie 15 à travers le second passage 14 pour passer 30 dans le canal de sortie 15. La surface super-hydrophobe 2 de la chambre 1 permet de l'évacuer complètement et d'éviter une perte de liquide qui resterait dans la chambre 1. De même, la surface hydrophobe 2 de la chambre 1 permet à la chambre 1 d'être sèche une fois vidée et d'éviter ainsi la contamination de la chambre 1. 6 Les dimensions selon la figure 2 pour le diamètre (d) de la chambre microfluidique 1 sont par exemple comprises entre 1 et 20 mm, par exemple 5 mm ; la hauteur (h) de la chambre 1 est comprise par exemple entre 5 et 100 mm et est égale par exemple à 10 mm. La hauteur (t) de la première couche (10) est par exemple comprise entre 500 gm et 5 mm et elle est par exemple égale à 1 mm ; le diamètre des canaux 11, 15, 13, 14 est par exemple compris entre 50 et 2000 gm et il est égal par exemple à 500 µm. La figure 3 montre un second mode de réalisation d'un io dispositif microfluidique 35 selon l'invention. Le dispositif microfluidique 35 a une première couche structurée 40, une seconde couche 41, une chambre 31, un canal d'entrée 42 et un canal de sortie 45. La première couche 40 a un perçage 43. La chambre 31 a une paroi intérieure 36 munie d'une première région 37 avec une surface super-hydrophobe 15 32 et une seconde région 33. La première couche 40 est reliée à la seconde couche 41 ce qui permet de réaliser les canaux 42 et 45 entre les deux couches 40, 41. La chambre microfluidique 31 est reliée par le perçage 43 de la première couche structurée 40 au canal d'entrée 42 et au canal de sortie 45 par un orifice d'entrée ou embouchure 48 avec un 20 contact fluidique. La chambre microfluidique 31 est réalisée avec une forme cylindrique comme petit tube. Le dispositif microfluidique 35 est orienté pour que la direction longitudinale 39 passe par l'axe longitudinal de la chambre 31 et que le vecteur directionnel de la chambre 31 soit dirigé vers le perçage 43 en faisant avec le vecteur de la force de 25 gravitation et/ou de la force centrifuge 9, résultantes, un angle d'une valeur inférieure à 45°. Le canal d'entrée 42 permet ainsi de pomper le liquide par le perçage 43 dans la chambre 31 si en même temps le canal de sortie 45 est fermé. Le liquide peut être évacué de la chambre 31 par le canal de sortie 45. Le liquide peut également être évacué de la 30 chambre 31 par le canal de sortie 45 si en même temps le canal d'entrée 42 est fermé et le canal de sortie 45 est ouvert. La figure 4 montre un troisième mode de réalisation d'un dispositif microfluidique 55 selon l'invention. le dispositif microfluidique 55 comporte une chambre 51 munie d'une paroi intérieure 56 ayant 35 une surface super-hydrophobe 52, un orifice 54, une première couche 7 structurée 60, une seconde couche 61, un canal d'entrée 62, un canal de sortie 65, un premier passage 63 entre le canal d'entrée 62 et la chambre 51 et un second passage 64 entre la chambre 51 et le canal de sortie 65. La chambre microfluidique 51 est intégrée dans la première couche structurée 60. Le dispositif microfluidique 55 est aligné en tenant compte de la force de gravitation et/ ou de la force centrifuge agissant dans la direction de la flèche 9, à l'aide de la direction longitudinale 59 de la chambre 51 correspondant aux modes de réalisation précédents. Le canal de sortie 65 est relié à la chambre 51 par le io second passage 64 prévu à l'extrémité inférieure de la chambre 51. Cette extrémité inférieure constitue l'embouchure 58 et a une forme hémisphérique. Le premier passage 63 du canal d'entrée 62 dans la chambre 51 est raccordé latéralement dans la zone supérieure à la chambre 51. La paroi intérieure 56 de la chambre 51 a en totalité une 15 surface 52 super-hydrophobe. La seconde couche 61 se trouve sur la première couche 60, ce qui permet de réaliser les canaux 62 et 65. La figure 5 montre un quatrième mode de réalisation d'un dispositif microfluidique 75. Le dispositif microfluidique 75 a une chambre 71 avec une paroi intérieure 76 ayant une surface super- 20 hydrophobe 72, une première couche structurée 80, une seconde couche structurée 81, un canal d'entrée 82, un canal de sortie 85, un premier passage 83 entre le canal d'entrée 82 et la chambre 71, un second passage 84 de la chambre 71 vers le canal de sortie 85, une troisième couche 86 et un couvercle 87. Le dispositif microfluidique 75 est 25 orienté en tenant compte de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge agissant dans la direction de la flèche 9 grâce à la direction longitudinale 79 de la chambre 71 comme dans les modes de réalisation précédents. Le canal de sortie 82 passe par le second passage 84 à l'extrémité inférieure de la chambre pour arriver dans la chambre 71. Cette 30 extrémité inférieure constitue un orifice d'entrée ou embouchure 78 et a une forme hémisphérique. Le premier passage 83 entre le canal d'entrée 82 et la chambre 71 est raccordé dans la région supérieure latéralement à la chambre 71. Toute la paroi intérieure de la chambre 71 est cou-verte d'une surface hydrophobe 72. La première couche 80 est structu- 35 rée pour réaliser la chambre 71 et la partie principale des passages 83 8 et 84. La seconde couche 81 est structurée pour que cette seconde couche 81 constitue le canal d'entrée 82, le canal de sortie 85 et une partie des passages 83 et 84. La seconde couche 81 est installée sur la première couche 80 pour que les parties respectives des passages 83 et 84 de la première couche 80 et de la seconde couche communiquent par une liaison fluidique. La troisième couche 86 est prévue sur la seconde couche 81 pour développer les canaux 82, 85. Le couvercle 87 est réalisé dans la première couche 80 pour que le couvercle 87 ferme le côté supérieur de la chambre 71. io Le liquide peut ainsi être pompé à travers le canal d'entrée 82 et le premier passage 83 dans la chambre 71. En variante, un liquide qui se trouve déjà dans la chambre 71 pendant la fabrication du dispositif microfluidique 75 avant la mise en place du couvercle 87, peut être prélevé avec des pipettes ou être dispersé. Cette solution a 15 l'avantage de permettre un pré-stockage simple des liquides. Sous l'influence de la force de gravité et/ou centrifuge 9, le liquide se collecte dans la région de forme hémisphérique à l'intérieur de la chambre 71. Le liquide accumulé au fond de la chambre peut alors être transféré par la conception ou la surpression pneumatique appliquée au canal d'en- 20 trée 82 et/ou par une dépression dans le canal de sortie 85, à travers le second passage 84 dans le canal de sortie 85. Selon d'autres modes de réalisation, la valeur de l'angle entre les directions longitudinales 19, 39, 59 des chambres 1, 31, 51 et le vecteur de la force de gravitation et/ou force centrifuge 9, résultantes, 25 est inférieure à 5°. Le dispositif 5, 35, 51 selon l'invention permet de séparer en toute sécurité les bulles d'air d'un liquide qui se trouve par exemple sous l'influence de la force de gravité 9 dans la chambre 1, 31, 51. Les bulles d'air peuvent s'échapper par le côté ouvert de la chambre, non 30 tourné vers le dispositif de gravitation. Selon un autre développement de l'invention, la surface intérieure de la chambre dans l'environnement de l'embouchure comporte un canal de sortie ayant une région hydrophile, par exemple entre 0,1 et 1 mm pour garantir que le canal de sortie soit mouillé par un li- 35 quide. 9 La première couche 10, 40, 60 et/ou la seconde couche 11, 41, 61 est par exemple réalisée en un polymère, par exemple en un polymère thermoplastique tel qu'un polycarbonate, polystyrène, polypropylène ou copolymère oléfine. Selon un développement, la région de la paroi intérieure de la chambre a un côté inférieur en forme d'entonnoir. Selon un autre développement, le dispositif microfluidique selon l'invention a une chambre avec une surface super-hydrophobe sur sa paroi intérieure ainsi qu'un orifice. Le liquide peut io être prélevé par exemple manuellement à travers l'orifice de la chambre à l'aide d'une pipette ou être distribué automatiquement. Un utilisateur d'échantillon peut ainsi introduire de l'extérieur le dispositif microfluidique dans la chambre. Le cas échéant, l'orifice ou l'ouverture peut en-suite être fermé par l'utilisateur à l'aide d'un film adhésif ou d'un 15 couvercle. Selon un autre développement, la liaison entre la chambre et la couche composite est réalisée juste avant la mise en oeuvre du dispositif microfluidique, par exemple par collage, enfichage, clipage ou serrage. 20 Selon un autre développement, les canaux se trouvent dans la seconde couche. Une réalisation d'un dispositif microfluidique selon l'invention consiste par exemple à réaliser la chambre microfluidique et la première et/ou la seconde couche par injection, impression à chaud, 25 soufflage et/ou fraisage. La liaison entre la chambre et les couches se réalisera par exemple par collage, laminage et/ou soudage, en particulier de solvant, par ultrasons et/ou par soudage par faisceau laser. La réalisation d'une surface ou couche super-hydrophobe pour la paroi intérieure de la chambre d'un dispositif microfluidique se- 30 lon l'invention peut se faire par exemple en appliquant des particules rendues hydrophobes (billes) par fabrication de la chambre sur du polyéthylène, en gravant la surface avec du plasma, en rendant la surface rugueuse et en rendant la surface hydrophobe en appliquant une mince couche d'un polymère hydrophobe, par filage électrique de fibres hydro- 35 phobes, introduction de plaquettes de silicium, stabilisées avant de pé- 2978437 io nétration à structure métallique, introduction de plaquettes de silicium rendues hydrophobes à microstructure dans la paroi intérieure de la chambre et/ou en appliquant un procédé par sol et gel. Selon un autre développement, le dispositif microflui- 5 dique comporte d'autres composants microfluidiques, électriques ou optiques tels que des pompes, des mélangeurs, des chambres ou des réservoirs, ainsi que des biocapteurs et/ou des prismes. io Il NOMENCLATURE 1 chambre 2 surface super-hydrophobe 3 seconde région 4 orifice 6 paroi intérieure de la chambre 1 7 première quantité de liquide 8 seconde quantité de liquide io 9 force de gravitation et/ou force centrifuge première couche structurée 11 seconde couche structurée 12 canal d'entrée 13 premier passage 14 second passage 15 canal de sortie 17 petite flèche 19 direction longitudinale de la chambre 1 côté inférieur de forme hémisphérique de la chambre 1 20 22 canal d'entrée 21 orifice d'entrée et/ou embouchure de la paroi intérieure 6 31 chambre 32 surface super-hydrophobe 33 seconde région 35 dispositif microfluidique 37 première région 38 paroi intérieure 39 direction longitudinale 40 première couche 41 seconde couche 42 canal d'entrée 43 perçage de la première couche 45 canal de sortie d diamètre de la chambre microfluidique 1 h hauteur de la chambre 1 t hauteur de la première couche 51 chambre microfluidique 52 surface super-hydrophobe 54 orifice 55 dispositif microfluidique 56 paroi intérieure de la chambre 51 58 entrée/embouchure 59 direction longitudinale de la chambre 60 première couche structurée 61 seconde couche 62 canal d'entrée 63 premier passage 64 second passage 65 canal de sortie 71 chambre 72 surface super-hydrophobe 75 dispositif microfluidique 76 chambre intérieure 78 entrée 79 direction longitudinale de la chambre 71 80 première couche structurée 81 seconde couche structurée 82 canal d'entrée 83 premier passage 84 second passage 85 canal de sortie 86 troisième couche 87 seconde couche 80 première couche 3o 82 canal d'entrée 85 canal de sortie 86 troisième couche 87 couvercle 35 REVENDICATIONS1°) Dispositif microfluidique (5, 35, 55, 75) comportant une chambre (1, 31, 51, 71) pour stocker un liquide, dispositif caractérisé en ce que la chambre (1, 31, 51, 71) a une paroi intérieure (6, 36, 56, 76) dont la surface (2, 32, 52, 72) est au moins partiellement hydrophobe ou super-hydrophobe. 2°) Dispositif microfluidique (5, 35, 55, 75) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (1, 31, 51, 71) est positionnée en fonctionnement de façon qu'une entrée (21, 48, 58, 78) d'un canal (12, 15, 42, 45, 65, 85) débouchant dans la chambre (1, 31, 51, 71) soit dirigée dans la direction (9) de la force de gravitation et/ou de la force centrifuge agissant sur le li- quide. 3°) Dispositif microfluidique (5, 35, 55, 75) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'entrée (21, 48, 58, 78) est prévue dans une paroi (6, 36, 56, 76) en forme d'entonnoir ou de demi-sphère. 4°) Dispositif microfluidique (5, 35, 55, 75) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' il comporte une première couche (10, 40, 60) et une seconde couche (11, 41, 61), au moins une couche (10, 40, 60) étant structurée, et les couches (10, 40, 60, 11, 41, 61) sont reliées pour former entre elles le canal (12, 15, 42, 45, 62, 85). 5°) Dispositif microfluidique (5, 35, 55, 75) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (1, 31, 51) comporte au moins un orifice (4, 34, 54) pour équilibrer la pression, appliquer une surpression ou introduire un liquide.35 14 6°) Dispositif microfluidique (5, 35, 55, 75) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface super-hydrophobe (2, 32, 52, 72) a au moins une hystérésis d'angle de contact de 10°. 7°) Dispositif microfluidique (5, 35, 55, 75) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique super-hydrophobe de la surface (2, 32, 52, 72) est obtenue par des microparticules hydrophobes appliquées sur la surface (2, 32, 52, 72), par une couche de polymère hydrophobe appliquée sur la surface (2, 32, 52, 72), par électrofilage de fibres hydrophobes, par introduction de plaquettes de silicium microstructurées rendues hydrophobes par un procédé sol-gel et/ou par gravure à l'aide d'un plasma. 8°) Procédé pour remplir et vider une chambre (1, 31, 51, 71) dont la paroi intérieure (6, 36, 56, 76) a au moins en partie une surface super-hydrophobe (2, 32, 52, 72), procédé comprenant les étapes suivantes consistant à : a. aligner la chambre (1, 31, 51, 71) dans le champ d'une force de gra-20 vitation et/ou d'une force centrifuge (9), b. remplir la chambre (1, 31, 51, 71) par un canal d'entrée (12, 42, 62, 82) avec un liquide, c. stocker le liquide dans la chambre (1, 31, 51, 71), et d. vider la chambre (1, 31, 51, 71) par un canal de sortie (15, 45, 65, 25 85). 9°) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en qu' avant de vider la chambre (1, 31, 51, 71) on la remplit avec un autre 30 liquide et on mélange cet autre liquide au premier liquide.