Brevet FR3047673A1 — publié le 20170818

Procédé de fabrication d'un élément fluidique et élément fluidique fabriqué à l'aide dudit procédé Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un élément fluidique et à l'élément fluidique fabriqué à l'aide dudit procédé. Etat de la technique Par élément fluidique, on entend un élément qui présente une ou plusieurs zones perméables de manière à laisser passer un fluide, tel qu'un liquide ou un gaz, et des zones imperméables à ce fluide. Ce type d'élément sera notamment utile dans le domaine des laboratoires sur puce (« Lab on chip »). Certains éléments fluidiques sont ainsi déjà connus et différents procédés de fabrication ont été décrits dans l'état de la technique. Cependant, il s'avère que les éléments fluidiques obtenus sont souvent fragiles, difficiles et chers à fabriquer. C'est le cas des éléments fluidiques fabriqués selon les procédés décrits dans les articles suivants : - Three-Dimensional Wax Patterning of Paper Fluidic De vices - Christophe Renault, Jessica Koehne, Antonio J. Ricco, and Richard M. Crooks. - Ultra-rapid prototyping of flexible, multi-layered microfluidic devices via razor writing - Cosson S. et al - Method for fabrication of microfluidic systems in glass - Stjernstrôm M. et al. Le but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication d'un élément fluidique qui soit simple, fiable et peu coûteux et qui permette de fabriquer un élément fluidique présentant notamment des caractéristiques de souplesse et de déformabilité. Exposé de l'invention Ce but est atteint par un procédé de fabrication d'un élément fluidique, qui consiste à former au moins une zone perméable et une zone imperméable à un fluide dans un matériau cellulaire tridimensionnel, par l'ajout d'au moins un deuxième matériau présentant un état initial liquide. 3047673 2 Selon une particularité du procédé, le matériau cellulaire tridimensionnel présente un degré de déformabilité élastique compris entre 10% et 500% par rapport à une forme initiale. Selon une variante de réalisation particulière, le procédé comporte les étapes 5 suivantes : - Imbibition du matériau cellulaire par le deuxième matériau présent à l'état initial liquide, - Evacuation du deuxième matériau présent dans son état initial liquide d'au moins une zone du matériau cellulaire, en vue de rendre ladite zone 10 perméable. Selon une particularité, l'étape d'évacuation est mise en oeuvre par compression du matériau cellulaire imbibé au niveau de ladite zone. Selon une particularité, l'étape d'imbibition est réalisée par compression pour faire pénétrer le deuxième matériau dans le matériau cellulaire. 15 Selon une particularité, le procédé comporte une étape de création d'au moins un motif dans ledit matériau cellulaire imbibé. Selon une autre variante de réalisation, le procédé comporte les étapes suivantes : - Création d'au moins une cavité dans le matériau cellulaire, 20 - Insertion du deuxième matériau dans ladite cavité en vue de former une zone imperméable par solidification du deuxième matériau. Selon une variante de réalisation, ledit deuxième matériau est un polymère, par exemple un élastomère, ou un matériau polymère à base de silicone. 25 Selon une autre variante de réalisation, ledit deuxième matériau est de type paraffine. Selon une autre variante de réalisation, ledit deuxième matériau est à base de métal. Selon une particularité du procédé, le matériau cellulaire employé comporte des 30 cellules ouvertes. Selon une autre particularité du procédé de l'invention, le matériau cellulaire choisi est par exemple une mousse polyuréthane ou une mousse silicone. Selon une autre particularité, le procédé pourra comporter une étape de scellement d'au moins une partie de la surface du matériau cellulaire, par application d'une membrane imperméable au liquide sur ladite partie de la surface du matériau cellulaire. 3047673 3 L'invention concerne également un élément fluidique qui comporte au moins une zone imperméable et au moins une zone perméable à un fluide, obtenues grâce au procédé tel que défini ci-dessus. L'invention concerne aussi une utilisation de cet élément fluidique dans une 5 application de filtration d'un fluide par sa zone perméable. L'invention concerne aussi une utilisation d'un élément fluidique tel que défini ci-dessus, dans une application de contrôle de l'écoulement d'un fluide par compression/décompression de sa zone perméable. 10 Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : - La figure 1 représente un élément fluidique conforme à l'invention. 15 - La figure 2 illustre de manière schématique les différentes étapes du procédé de fabrication de l'invention, selon une première variante de réalisation. - La figure 3 illustre de manière schématique les différentes étapes du procédé de fabrication de l'invention, selon une deuxième variante de 20 réalisation. - La figure 4 illustre de manière schématique des étapes supplémentaires à mettre en oeuvre dans le procédé de fabrication de l'invention, afin de sceller l'élément fluidique sur deux faces opposées. - La figure 5 représente un exemple de découpe de l'élément fluidique, 25 l'élément étant scellé sur sa face supérieure et sur sa face inférieure. - Les figures 6A et 6B illustrent le principe d'un scellement partiel de l'élément fluidique. Sur les figures annexées, les différentes étapes décrites peuvent être illustrées 30 par des vues de dessus (désignées VD), par des vues de côté (désignées VC) ou des vues en coupe (VCO). Description détaillée d'au moins un mode de réalisation L'invention vise à réaliser un élément fluidique 1 destiné à véhiculer au moins 35 un fluide, tel qu'un liquide ou un gaz, c'est-à-dire un élément qui présente au moins une 3047673 4 zone perméable 10 pour laisser passer le fluide et au moins une zone imperméable 11 à ce fluide. Les zones perméables 10 créées définissent ainsi des chemins fluidiques dont la géométrie peut être contrôlée. Les chemins seront par exemple déformables pour, par exemple, pomper ou filtrer un fluide. La figure 1 représente un élément fluidique 5 conforme à l'invention. Les zones perméables peuvent être vides, partiellement vides, ou constituées du matériau cellulaire de base qui sera défini ci-dessous. La forme et les dimensions de chaque zone perméable et de chaque zone imperméable pourront être contrôlées par le procédé de fabrication mis en oeuvre. Dans un élément fluidique, plusieurs zones perméables peuvent être isolées 10 entre elles ou communiquer entre elles par un ou plusieurs chemins fluidiques de jonction. On entend par matériau cellulaire tridimensionnel, un matériau qui comporte plusieurs cellules organisées en une ou plusieurs couches superposées ou de manière aléatoire dans les trois dimensions. 15 Le procédé de l'invention est mis en oeuvre à partir d'un matériau cellulaire. Ce matériau cellulaire pourra être : A cellules ou porosité fermée, présentant ainsi des alvéoles fermées, A cellules ou porosité ouverte, dont les alvéoles sont ouvertes sur les alvéoles voisines et sur l'extérieur. 20 Le procédé de l'invention s'applique plus particulièrement à un matériau cellulaire qui comporte au moins une partie à cellules ouvertes, présente nativement dans le matériau ou obtenue en ouvrant, par exemple par une attaque chimique ou thermique, des cellules fermées du matériau cellulaire. 25 Le matériau cellulaire employé pourra être déformable ou non déformable. Par matériau déformable, on entend un matériau qui peut se déformer de manière élastique et qui présente un degré de déformabilité élastique, en compression ou extension, compris entre 10% et 500% par rapport à sa forme initiale, préférentiellement compris entre 50 et 200% par rapport à sa forme initiale. 30 Dans les matériaux cellulaires de type déformable, il s'agira par exemple : D'une mousse de type polyuréthane, D'une mousse de type silicone, 3047673 5 de manière à créer un matériau - D'une mousse de type PVC, - D'une mousse de type polystyrène, - D'une mousse de type Polyimide, ou - D'un mélange de plusieurs mousses, 5 présentant une déformabilité hétérogène, par exemple par ajout d'une mousse solide de type métallique ou graphite dans une mousse déformable au sens défini ci-dessus. Dans les matériaux cellulaires de type non déformable, il s'agira par 10 exemple : - D'une mousse métallique, ou - D'une mousse à base de graphite. L'invention consiste à créer, à partir d'un matériau cellulaire de base tel que 15 défini ci-dessus, une ou plusieurs zones perméables au fluide et une ou plusieurs zones imperméables au fluide. Pour cela, le procédé de l'invention consiste à ajouter au moins un deuxième matériau au matériau cellulaire. Selon l'invention, ce deuxième matériau est à mono-constituant ou à multi-constituants et présente un état initial liquide. Une évolution des propriétés physico-chimiques de ce deuxième matériau, une évaporation 20 sur l'un de ses constituants (par exemple un solvant) ou un changement de phase liquide/solide de ce deuxième matériau dans le matériau cellulaire permet ensuite de créer un élément fluidique présentant une structure hétérogène de zones perméables et de zones imperméables au fluide. Par état initial liquide, on entend un matériau qui présente un degré de viscosité 25 suffisamment faible pour, lors de la mise en oeuvre du procédé de fabrication de l'élément fluidique, pénétrer dans le matériau cellulaire ou venir remplir au moins partiellement une cavité du matériau cellulaire. Le deuxième matériau ajouté pourra être naturellement liquide ou obtenu sous forme liquide, par exemple par fusion ou tout autre procédé. 30 Ce deuxième matériau sera par exemple : 3047673 6 - Un polymère, tel qu'un élastomère, ou un polymère à base de silicone, par exemple de type PDMS (pour Polydimethylsiloxane) ou ECOFLEX (marque déposée par la société « Smooth-On »), à base d'uréthane ou de sulfide, - Une colle présentant des propriétés de durcissement, 5 - Du type paraffine ou plus généralement un matériau fondu qui se solidifie lors du procédé de fabrication, ou - Tout autre matériau ou ensemble de matériaux permettant de créer ladite structure hétérogène en générant des zones imperméables par association au matériau cellulaire. 10 De manière préférentielle, l'élément fluidique obtenu comporte au moins une zone perméable 10 au fluide, constituée du matériau cellulaire de base, dont le deuxième matériau défini ci-dessus a été évacué ou exclu, le reste de l'élément fluidique formant une zone imperméable 11 composée du matériau cellulaire dont la structure cellulaire a 15 été modifiée par l'ajout du deuxième matériau afin de le rendre imperméable au fluide. Selon l'invention, l'élément fluidique pourra être obtenu par différents procédés de fabrication. Les figures 2 et 3 illustrent deux procédés distincts permettant d'obtenir un élément fluidique conforme à l'invention. Bien entendu, il s'agit de deux exemples et 20 d'autres procédés pourraient être imaginés pour obtenir un élément fluidique tel que décrit ci-dessus, c'est-à-dire composé d'une structure hétérogène de zones perméables et de zones imperméables, réalisée à partir d'un matériau cellulaire et d'un deuxième matériau tel que décrit ci-dessus. 25 Dans le procédé illustré par la figure 2, le matériau cellulaire est composé d'une mousse polyuréthane 2 à cellules ouvertes et le deuxième matériau est formé d'un élastomère liquide. La mousse polyuréthane 2 est initialement découpée selon la forme souhaitée, par exemple un parallélépipède rectangle (E0 sur la figure 1). L'élastomère est préparé dans une quantité suffisante pour imbiber totalement la mousse. Par 30 exemple, il s'agira de prendre le volume de la mousse polyuréthane, de lui ajouter 20% et de prendre la masse d'élastomère équivalente à la masse d'eau de ce volume. Le procédé comporte ainsi les étapes suivantes : 3047673 7 El : La mousse polyuréthane 2 est imbibée par l'élastomère présent sous forme liquide de manière à obtenir une mousse imbibée 20. L'imbibition peut se faire par exemple en déposant l'élastomère sur toutes les faces du volume formé par la mousse et en le faisant pénétrer par capillarité, par gravité, par compression, par dépôt en phase 5 vapeur, par électrochimie ou par toute autre solution adaptée, dans le volume formé par la mousse. Cette étape d'imbibition doit être réalisée pendant la durée de manipulation préconisée par le fabricant de l'élastomère. E2 : L'élastomère est évacué de certaines zones de la mousse en vue de rendre ces zones perméables. Le reste de la mousse, qui est occupé par l'élastomère, sera 10 destiné à former ainsi des zones imperméables 11. L'évacuation de l'élastomère est par exemple réalisée par compression à l'aide d'un moule 4 dont la forme détermine la forme des zones perméables 10 à obtenir. E3 : L'élastomère liquide initialement présent dans les zones comprimées par le moule 4 est évacué de la zone comprimée et ne peut revenir dans cette zone. La 15 limitation du retour de l'élastomère dans une zone évacuée peut être réalisée de différentes manières : - En jouant sur la cinétique de fluage qui est moins rapide que le temps de réticulation de l'élastomère. - Par action sur le niveau de porosité de la zone évacuée ou des zones 20 environnantes à la zone évacuée. E4 : Après avoir évacué l'élastomère liquide de certaines zones, la réticulation de l'élastomère présent sur le reste de la mousse, permet de créer un élément fluidique 1 qui présente une structure hétérogène faite de zones perméables 10 et de zones 25 imperméables 11. Par ailleurs, une étape supplémentaire pourra être ajoutée pour accélérer le durcissement de l'élastomère liquide, par trempe, refroidissement, chauffage ou par toute autre action externe. 30 Des éléments de compléments et/ou de modifications peuvent être apportés au procédé de fabrication décrit ci-dessus en liaison avec la figure 2. Ces éléments sont les suivants : 3047673 8 - L'évacuation de l'élastomère lors de l'étape E2 peut être réalisée par d'autres méthodes que la compression, par exemple par soufflage liquide et/ou gazeux localisé ou par aspiration localisée. - Pendant la réticulation de l'élastomère liquide (entre l'étape E3 et l'étape 5 E4), la mousse imbibée 20 peut être comprimée et maintenue en compression le temps de la réticulation, de manière à y créer des motifs. La mousse conservera ainsi la forme appliquée lors de la compression. - L'évacuation par compression réalisée lors de l'étape E2 peut être réalisée à l'aide d'un seul moule 4 appliqué en compression ou de manière 10 séquentielle à l'aide de plusieurs moules appliqués en compression de manière localisée sur la durée de manipulation de l'élastomère. - L'étape d'imbibition (El ) peut être réalisée en injectant directement l'élastomère liquide dans la mousse 2 à l'aide d'une aiguille ou de toute autre solution équivalente. 15 - L'évacuation peut être remplacée par une simple exclusion, c'est-à-dire que le procédé est mis en oeuvre de manière à ce que l'imbibition du matériau cellulaire par le deuxième matériau reste partielle, c'est-à-dire en empêchant que le deuxième matériau vienne occuper les zones du matériau cellulaire qui sont destinées à devenir des zones perméables. Il 20 s'agira par exemple d'employer un masque particulier pour cibler les zones du matériau cellulaire à imbiber par le deuxième matériau. La figure 3 illustre une variante de réalisation du procédé de l'invention. Dans cette variante, on utilise par exemple les mêmes constituants que pour le procédé décrit 25 ci-dessus en liaison avec la figure 1. E10 : La mousse 2 est découpée avec une forme particulière de manière à former des stries 21, traversantes ou non. E20 : L'élastomère liquide 3 est déposé sur la mousse 2 de manière à venir se loger dans les stries 21. 30 E30 : Après réticulation, l'élastomère forme ainsi des parois imperméables au niveau de chaque strie occupée. On obtient une structure hétérogène formée de zones perméables 10 occupées par la mousse polyuréthane 2 et de zones imperméables 11 3047673 9 formées par les parois ainsi créées. L'emplacement et la forme des stries réalisées définissent les paramètres des chemins fluidiques à travers la mousse. E21 et E31 : En variante aux étapes E20 et E30, la mousse 2 peut être totalement ou partiellement enrobée par l'élastomère liquide. Sur la figure 2, l'élastomère 5 liquide recouvre ainsi toutes les faces de la mousse, permettant ainsi de l'isoler de l'extérieur. L'élément fluidique obtenu pourra comporter les mêmes caractéristiques que celles décrites ci-dessus pour l'élément fluidique obtenu par le procédé décrit en liaison avec la figure 2. 10 D'autres alternatives aux deux solutions de procédé décrites ci-dessus peuvent également être envisagées, pour un résultat similaire. Ces alternatives sont les suivantes : - Le deuxième matériau employé est un polymère photosensible. Les 15 chemins fluidiques sont ainsi formés en exposant le polymère à un rayonnement particulier localisé ou à travers un masque. - Le deuxième matériau est un polymère thermosensible. Les chemins fluidiques sont ainsi formés en échauffant le polymère de manière localisée. 20 Selon l'invention, le procédé peut également comporter des étapes supplémentaires permettant de sceller l'élément fluidique formé, de manière à mieux le protéger. Il s'agira par exemple d'appliquer au moins une face de l'élément fluidique. Préférentiellement, il s'agira par exemple d'appliquer des membranes sur deux faces opposées de l'élément fluidique, par exemple sa face supérieure et sa face inférieure. 25 La membrane sera par exemple composée d'un matériau de type élastomère, adhésif, colle, étirable ou non. La figure 4 illustre un exemple de mise en oeuvre du scellement de l'élément fluidique. Il comporte les étapes suivantes : E100 : Un élastomère liquide est déposé sur une surface plane d'un support 6, formant après réticulation, une membrane 5. Ce dépôt sera par exemple réalisé à la 30 tournette. E101 : une fois la membrane 5 formée, une couche 50 d'élastomère liquide non réticulé est déposée sur la membrane. En réticulant, cette couche va servir de colle. 3047673 10 E102 : L'élément fluidique 1 est déposé sur la couche 50 d'élastomère liquide. La réticulation de cette couche va permettre de coller l'élément fluidique 1 sur la membrane 5. E103 : La couche 50 d'élastomère a réticulé, collant l'élément fluidique 1 à la 5 membrane 5. E104 : l'élément fluidique 1 scellé sur une de ses faces par la membrane 5 est ensuite retiré du support. La même procédure de scellement peut être mise en oeuvre pour la face 10 opposée de l'élément fluidique 1. Les phases de scellement des deux faces opposées peuvent être mises en oeuvre l'une après l'autre ou simultanément pour gagner du temps dans la fabrication. En référence à la figure 5, il est possible de découper l'élément fluidique 1 avant 15 son scellement. Il s'agira par exemple de créer une ouverture 7 à travers l'élément. Une fois l'élément fluidique 1 scellé sur sa face supérieure et sur sa face inférieure, cette ouverture forme une cavité 70 vidée de mousse et isolée de l'extérieur. Dans une variante de réalisation représentée sur les figures 6A et 6B, le scellement peut être partiel de manière à ce qu'une membrane 5 ne recouvre pas toute 20 la surface de l'élément. Une ou plusieurs ouvertures 50 peuvent ainsi être créées à travers la membrane 5. Il s'agira par exemple de mettre en contact une zone perméable 10 de l'élément fluidique 1 avec l'extérieur. Cela permettra par exemple de capter des composés présents à l'extérieur, comme des constituants biochimiques, des fluides d'intérêt ou des solides se présentant par exemple sous la forme de poudre. 25 L'élément fluidique 1 obtenu présente ainsi de nombreux avantages, parmi lesquels : - Le matériau cellulaire employé étant préférentiellement une mousse, il est élastique, étirable et souple. Il peut ainsi être manipulé et actionné sans 30 risque de déchirures ou de ruptures dans la limite de déformabilité élastique de l'élément fluidique formé. 3047673 11 - Il est facilement pliable, ce qui permet de mettre en contact des zones non reliées par des canaux. En pliant l'élément, on peut relier deux zones perméables, sans avoir un canal à réaliser. - Il forme une structure poreuse dans les trois dimensions, pouvant ainsi 5 former une grande surface d'échange ou de capture avec un fluide extérieur. - Grâce au scellement, il peut être facilement isolé de l'extérieur afin d'éviter les contaminations ou l'évaporation du fluide canalisé. - Il est manipulable à la main ou à l'aide d'une machine. 10 Grâce à ces différents avantages, l'élément fluidique 1 de l'invention pourra être employé pour différentes applications, telles que par exemple : - Fonctionnement en filtration : la mousse 2 de la zone perméable 10 peut être comprimée ou décomprimée. Le niveau de filtration peut être ajusté en 15 jouant sur la porosité des zones perméables, donc par exemple sur la structure alvéolaire du matériau cellulaire. - Fonctionnement péristaltique : aspiration/refoulement d'un liquide par compression/décompression de l'élément. - Fonctionnement en vanne : blocage de l'écoulement par compression 20 locale d'une zone perméable 10 de l'élément. - Fonctionnement en laboratoire sur puce : toutes les fonctions fluidiques, c'est-à-dire par exemple écoulement, vanne, filtration, sont regroupées dans un seul dispositif en structurant l'élément de manière adaptée. - L'élément fluidique peut embarquer un réactif, logé par exemple sous une 25 forme liquide, gazeuse, ou d'une poudre dans une capsule, qui pourra être libéré ultérieurement selon l'application envisagée. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un élément fluidique (1), caractérisé en ce qu'il consiste à former au moins une zone perméable (10) et une zone imperméable (11) à un fluide dans un matériau cellulaire tridimensionnel, par l'ajout d'au moins un deuxième matériau présentant un état initial liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau cellulaire tridimensionnel présente un degré de déformabilité élastique compris entre 10% et 500% par rapport à une forme initiale. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : Imbibition du matériau cellulaire par le deuxième matériau présent à l'état initial liquide, Evacuation du deuxième matériau présent dans son état initial liquide d'au moins une zone du matériau cellulaire, en vue de rendre ladite zone perméable (10). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'évacuation est mise en oeuvre par compression du matériau cellulaire imbibé au niveau de ladite zone. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'étape d'imbibition est réalisée par compression pour faire pénétrer le deuxième matériau dans le matériau cellulaire. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de création d'au moins un motif dans ledit matériau cellulaire imbibé. 7. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - Création d'au moins une cavité dans le matériau cellulaire, - Insertion du deuxième matériau dans ladite cavité en vue de former une zone imperméable (11) par solidification du deuxième matériau. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit deuxième matériau est un polymère. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit deuxième matériau polymère est un élastomère. 3047673 13 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit deuxième matériau polymère est à base de silicone. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit deuxième matériau est de type paraffine. 5 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit deuxième matériau est à base de métal. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le matériau cellulaire comporte des cellules ouvertes. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le matériau 10 cellulaire est une mousse polyuréthane. 15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le matériau cellulaire est une mousse silicone. 16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de scellement d'au moins une partie de la surface du matériau 15 cellulaire, par application d'une membrane imperméable au liquide sur ladite partie de la surface du matériau cellulaire. 17. Elément fluidique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une zone imperméable (11) et au moins une zone perméable (10) à un fluide, obtenues grâce au procédé tel que défini dans l'une des revendications 1 à 16. 20 18. Utilisation d'un élément fluidique tel que défini dans la revendication 17, pour la filtration d'un fluide par sa zone perméable (10). 19. Utilisation d'un élément fluidique tel que défini dans la revendication 17, pour contrôler l'écoulement d'un fluide par compression/décompression de sa zone perméable (10). 25