Brevet FR3043571A1 — publié le 20170519

Procédé et dispositif de fabrication d'émulsions. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention est relative aux procédés et dispositifs de fabrication d'émulsions. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION On utilise largement les émulsions, par exemple des micro ou nano-émulsions, notamment dans les applications médicales. A titre d'exemple, on utilise des émulsions activables par ultrasons qui sont destinées à transporter par exemple un médicament ou un marqueur dans le corps humain pour l'activer localement dans une zone cible. Le document W02011007082A1 donne un exemple d'une telle émulsion qui est particulièrement efficace. Malheureusement, les procédés de fabrication 15 d'émulsion utilisés jusqu'ici ne donnent pas entièrement satisfaction. Les procédés utilisés sont généralement lents, par exemple lorsqu'on utilise un microcanal unique fonctionnant par focalisation hydrodynamique. Des tentatives ont été effectuées pour augmenter la 20 production (voir par exemple Cohen et al., "Parallelised production of fine and calibrated emulsions by coupling flow-focusing technique and partial wetting phenomenon." Microfluidics and Nanofluidics 17, no. 5 (2014): 959-966), mais ces tentatives ont abouti à des 25 dispositifs microfluidiques peu fiables, sujets au blocage. OBJETS ET RESUME DE L'INVENTION La présente invention a donc pour objet de proposer un procédé de fabrication d'émulsions qui à la fois permette de produire de plus grandes quantités d'émulsion 30 et soit fiable. A cet effet, l'invention propose un procédé microfluidique de fabrication d'une émulsion comprenant des gouttes en émulsion dans une solution externe, les gouttes contenant un fluide, procédé dans lequel: 35 - on fait circuler le fluide le long d'un premier 3043571 2 canal principal, - on prélève une partie du fluide circulant dans le premier canal principal, par une pluralité de microcanaux disposés le long du premier canal principal, 5 qui communiquent chacun individuellement avec ledit premier canal principal et débouchent chacun individuellement dans un espace rempli de solution externe, le premier canal principal étant maintenu à une pression supérieure audit espace rempli de solution externe, le premier canal 10 principal ayant une section de passage au moins 5 fois supérieure à chaque microcanal, - on forme les gouttes lorsque le fluide passe de chaque microcanal dans ledit espace rempli de solution externe. Grâce à ces dispositions, le premier canal principal constitue une rivière au sens microfluidique, qui nettoie en permanence l'embouchure des microcanaux dans le premier canal principal, évitant ainsi les le blocage des microcanaux par d'éventuels débris ou similaires. Dans divers modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - on fait circuler le fluide le long du premier canal principal entre des premier et deuxième réservoirs maintenus en surpression à des première et deuxième pressions différentes, supérieures à la pression atmosphérique, et on fait circuler alternativement le fluide en sens opposés le long du premier canal principal (11), en faisant varier les première et deuxième pressions de façon que la première pression soit alternativement supérieure et inférieure à la deuxième pression : cette disposition permet d'une part d'utiliser toute la quantité de fluide initial jusqu'à épuisement pour fabriquer l'émulsion, et d'autre part de garantir l'absence de pollution de l'émulsion réalisée, puisque la fabrication a 3043571 3 lieu en surpression sans ouverture des premier et deuxième réservoirs ; - ledit espace rempli de solution externe est un deuxième canal principal et on fait circuler la solution 5 externe le long dudit deuxième canal principal, le deuxième canal principal ayant une section de passage au moins 5fois supérieure à chaque microcanal : cette disposition permet également de nettoyer en permanence le débouché des microcanaux dans le deuxième canal principal ; 10 - on fait circuler la solution externe le long du deuxième canal principal entre des troisième et quatrième réservoirs maintenus en surpression à des troisième et quatrième pressions différentes, supérieures à la pression atmosphérique, et on fait circuler alternativement la 15 solution externe en sens opposés le long du deuxième canal principal, en faisant varier les troisième et quatrième pressions de façon que la troisième pression soit alternativement supérieure et inférieure à la quatrième pression : cette disposition permet de garantir l'absence 20 de pollution de l'émulsion réalisée, puisque la fabrication a lieu en surpression sans ouverture des troisième et quatrième réservoirs ; - les gouttes ont un diamètre inférieur à 20 pm et le fluide contient des nanogouttes ayant un diamètre 25 inférieur à 5 pm ; - la solution externe contient un agent tensioactif. Par ailleurs, l'invention a également pour objet un dispositif microfluidique de fabrication d'une émulsion 30 comprenant des gouttes en émulsion dans une solution externe, les gouttes contenant un fluide, le dispositif comprenant: - un premier canal principal rempli de fluide, - des moyens pour faire circuler le fluide le long 35 du premier canal principal, 3043571 4 - un espace rempli de solution externe, - une pluralité de microcanaux disposés le long du premier canal principal, qui communiquent chacun individuellement avec ledit premier canal principal et 5 débouchent chacun individuellement dans ledit espace rempli de solution externe (2), lesdits microcanaux étant adaptés pour former les gouttes dans l'espace rempli de solution externe, le premier canal principal ayant une section de passage au moins 5fois supérieure à chaque microcanal, 10 - des moyens de mise en pression pour maintenir le premier canal principal une pression supérieure audit espace rempli de solution externe. Dans divers modes de réalisation du dispositif microfluidique selon l'invention, on peut éventuellement 15 avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - le premier canal principal relie entre eux des premier et deuxième réservoirs et les moyens de mise en pression sont adaptés pour maintenir les premier et 20 deuxième réservoirs en surpression, respectivement à des première et deuxième pressions différentes, supérieures à la pression atmosphérique, et les moyens de mise en pression sont prévus pour faire circuler alternativement le fluide en sens opposés le long du premier canal principal, 25 en faisant varier les première et deuxième pressions de façon que la première pression soit alternativement supérieure et inférieure à la deuxième pression ; - ledit espace rempli de solution externe est un deuxième canal principal et le dispositif microfluidique 30 comporte des moyens pour faire circuler la solution externe le long dudit deuxième canal principal, le deuxième canal principal ayant une section de passage au moins 10 fois supérieure à chaque microcanal ; - le deuxième canal principal relie entre eux des 35 troisième et quatrième réservoirs et le dispositif 3043571 5 microfluidique comporte des moyens de mise en pression pour maintenir les troisième et quatrième réservoirs en surpression, respectivement à des troisième et quatrième pressions différentes, supérieures à la pression 5 atmosphérique, et les moyens de mise en pression sont prévus pour faire circuler alternativement la solution externe en sens opposés le long du deuxième canal principal, en faisant varier les troisième et quatrième pressions de façon que la troisième pression soit 10 alternativement supérieure et inférieure à la quatrième pression. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description 15 suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : - la figure 1 est une vue schématique d'une microparticule en émulsion dans une solution aqueuse, 20 pouvant être obtenue par un procédé selon une forme de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un schéma de principe d'un exemple de dispositif microfluidique selon une forme de réalisation de l'invention, 25 - la figure 3 est une vue de détail de la figure 2, et - la figure 4 montre des nanoparticules en émulsion dans le fluide de départ utilisé dans le dispositif des figures 2 et 3. 30 DESCRIPTION PLUS DETAILLEE Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. 35 3043571 6 La présente invention propose un procédé et un dispositif pour réaliser des émulsions. A titre d'exemple, le procédé et le dispositif de 5 l'invention sont particulièrement adaptés pour réaliser des émulsions doubles telle que celle schématisée sur la figure 1, mais le procédé et le dispositif de l'invention sont également utilisables pour fabriquer d'autres types d'émulsions, notamment des émulsions simples. 10 Comme représenté schématiquement sur la figure 1, cette émulsion double, qui est décrite plus en détail dans le document W02011007082A1, contient une émulsion secondaire de microgouttes 1 dans une solution aqueuse 2, ces microparticules 1 ayant un diamètre D inférieur à 20 15 pm. Une seule des microparticules 1 est représentée sur la figure 1 par mesure de simplicité. Les microgouttes 1 comprennent une paroi externe 4 sensiblement sphérique, réalisée par un premier émulsifiant, notamment un surfactant tel que par exemple le 20 « Pluronic F68 » ®. Cette paroi externe 4 encapsule un liquide précurseur gazeux 3 vaporisable par ultrasons (ou plus généralement un composé activable par ultrasons) contenant une émulsion primaire de nanogouttes 5 ayant un diamètre 25 inférieur à 5 pm, de préférence de 0,3 à 1 pm. Le précurseur gazeux peut être une huile fluorée, notamment un perfluorocarbone, par exemple du perfluorohexane ou le perfluoropentane. Ces nanoparticules 5 présentent chacune une paroi 30 externe 7 sensiblement sphérique qui est formée par un deuxième émulsifiant, par exemple un surfactant fluoré tel que du poly(perfluoropropylène glycol) carboxylate (commercialisé par la société Du Pont sous la marque « Krytox 157 FSH » C)). 35 La paroi externe 7 encapsule un liquide interne 6, 3043571 7 par exemple de l'eau ou plus généralement une solution aqueuse, qui contient un agent actif, notamment un marqueur ou un médicament. Plus précisément, l'agent actif peut être : 5 - un marqueur choisi notamment parmi les colorants optiques (par exemple la fluorescéine) et les agents de contraste pour imagerie médicale (notamment agents de contraste pour IRM, rayons X, ultrasons ou autres); - un marqueur destiné à servir de cible pour un 10 agent thérapeutique ; - un agent thérapeutique choisi notamment parmi les agents de chimiothérapie anticancéreuse, des médicaments antivasculaires, des toxines et l'ARN messager, l'ADN, etc. 15 Cette émulsion double peut être fabriquée à l'aide du dispositif microfluidique 10 des figures 2 à 4, qui est également utilisable pour réaliser d'autres types d'émulsions, en particulier toute émulsion comprenant des gouttes 1 en émulsion dans une solution externe 2, les 20 gouttes contenant un fluide 3 (liquide ou gazeux). Le dispositif microfluidique 10 comprend: - un premier canal principal 11 (aussi appelé « rivière » en langage de microfluidique) rempli de fluide 3, 25 - des moyens 22-24 pour on faire circuler le fluide 3 le long du premier canal principal 11 en créant des différences de pression, - un espace 12 rempli de solution externe 2, - une pluralité de microcanaux 13 disposés le long 30 du premier canal principal 11, qui communiquent chacun individuellement avec ledit premier canal principal 11 et débouchent chacun individuellement dans ledit espace 12 rempli de solution externe 2, - des moyens de mise en pression 22-26 pour 35 maintenir le premier canal principal 11 une pression 3043571 8 supérieure audit espace 12 rempli de solution externe. Le premier canal principal 11 et les microcanaux 13 peuvent par exemple être gravés dans une plaque de verre, polydimethylsiloxane ou autre, recouverte par une plaque de 5 fermeture en verre, polydimethylsiloxane ou autre. Le fluide 3 du premier canal principal 11 est additionné des nanogouttes 5 dans le cas où on forme l'émulsion double susmentionnée. La solution externe 2 peut être additionnée de 10 tensioactif, de façon le fluide 3 forme des gouttes 1 en sortie des microcanaux, à son arrivée dans l'espace 12 rempli de solution externe. Les microcanaux 13 sont de section bien plus faible que le premier canal principal 11, par exemple moins de 20% 15 de la section du premier canal principal 11. Les microcanaux ont généralement une largeur inférieure à 10 pm et une profondeur inférieure à 10 pm. Les microcanaux 13 sont en grand nombre, par exemple plus de 100 voire plusieurs centaines (seule une 20 partie de ces microcanaux est représentée sur les figures 2 et 3). Grâce à la circulation de fluide dans le premier canal principal 11, on limite ou évite le bouchage des microcanaux 13 notamment par des nanogouttes. 25 Avantageusement, ledit espace rempli de solution externe 2 peut être un deuxième canal principal 12 (aussi appelé « rivière » en langage de microfluidique) et le dispositif microfluidique comporte des moyens 22, 25, 26 pour faire circuler la solution externe 2 le long dudit 30 deuxième canal principal 12, ce qui contribue également à éviter le bouchage des microcanaux 13. Le deuxième canal principal 12 peut per exemple être gravé dans la plaque de verre susmentionnée, recouverte par une plaque de verre de fermeture. 35 Le deuxième canal principal 12 peut également avoir 3043571 9 une section de passage au moins 5 fois supérieure à la section de chaque microcanal 13. Avantageusement, le premier canal principal 11 relie entre eux des premier et deuxième réservoirs fermés 5 16, 17 et les moyens de mise en pression 22-26 sont adaptés pour maintenir les premier et deuxième réservoirs 16, 17 en surpression, respectivement à des première et deuxième pressions Pl, P2 différentes, supérieures à la pression atmosphérique. Les pressions en question sont prévues pour 10 faire circuler alternativement le fluide 3 en sens opposés le long du premier canal principal 11, en faisant varier les première et deuxième pressions de façon que la première pression P1 soit alternativement supérieure et inférieure à la deuxième pression P2. 15 Avantageusement, le deuxième canal principal 12 peut relier entre eux des troisième et quatrième réservoirs 20, 21 et le dispositif microfluidique comporte des moyens de mise en pression 22-26 pour maintenir les troisième et quatrième réservoirs fermés 20, 21 en surpression, 20 respectivement à des troisième et quatrième pressions P3, P4 différentes, supérieures à la pression atmosphérique mais inférieures aux première et deuxième pressions Pl, P2 susmentionnées, et les moyens de mise en pression 22-26 sont prévus pour faire circuler alternativement la solution 25 externe 2 en sens opposés le long du deuxième canal principal 12, en faisant varier les troisième et quatrième pressions de façon que la troisième pression P3 soit alternativement supérieure et inférieure à la quatrième pression P4. 30 Les pressions susmentionnées dans les réservoirs peuvent être générées notamment par un système générateur de pression 22-26 multivoies, par exemple de type MFCS®-EZ commercialisé par la société Fluigent®. Un tel système comporte plusieurs sources de pression indépendantes 23-26, 35 connectées respectivement aux réservoirs 16, 17, 20, 21 et 3043571 10 produisant respectivement les pressions Pl-P4. Ces sources de pressions sont commandées par une unité centrale 22, par exemple un ordinateur ou autre. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. 5 Au début du processus de fabrication de l'émulsion, on remplit par exemple le premier réservoir 16 avec le fluide 3, contenant par exemple les nanogouttes 5, et on remplit par exemple le troisième réservoir 20 avec la solution externe 2 additionnée de tensioactif. L'unité 10 centrale 22 commande alors les sources de pression 23-26 pour que P1>P2>P3>P4, de sorte que le premier canal principal 11 est parcouru par le fluide 3 dans le sens de la flèche lla (figure 2) et que le deuxième canal principal 12 est parcourus par la solution externe 2 dans le sens de 15 la flèche 12a. Pendant ce temps, les deuxième et quatrième réservoirs 17, 21 se remplissent progressivement, et une partie du fluide 3 passe dans la solution externe 2 sus forme de microgouttes. Lorsque le premier réservoir 16 est vide, on 20 modifie les pressions Pl, P2 pour que P2>P1, et l'écoulement s'établit dans le sens opposé à la flèche 11a. P1 et P2 restent supérieures à la pression en tout point dans le deuxième canal principal 12. De même, lorsque le troisième réservoir 20 est 25 vide, on modifie les pressions P3, P4 pour que P4>P3, et l'écoulement s'établit dans le sens opposé à la flèche 12a. P3 et P4 restent inférieures à la pression en tout point dans le premier canal principal 11. Au fur et à mesure de ces mouvements alternatifs, 30 on fait passer dans la solution externe 2, sous forme de microgouttes en émulsion, tout le fluide 3 initialement contenu dans le premier réservoir 16, et ce de façon rapide et fiable, sans risquer de polluer l'émulsion réalisée avec des impuretés externes puisqu'il n'y a pas d'ouverture des 35 réservoirs pendant tout le processus. 3043571 11 Eventuellement, les gouttes 1 peuvent être plus denses que la solution externe 2, auquel cas elles s'accumulent dans le fond des troisième et quatrième réservoirs 20, 21. 5 REVENDICATIONS1. Procédé microfluidique pour fabriquer une émulsion comprenant des gouttes (1) en émulsion dans une solution externe (2), les gouttes contenant un fluide (3), procédé dans lequel: - on fait circuler le fluide (3) le long d'un premier canal principal (11), - on prélève une partie du fluide (3) circulant dans le premier canal principal(11), par une pluralité de microcanaux (13) disposés le long du premier canal principal (11), qui communiquent chacun individuellement avec ledit premier canal principal (11) et débouchent chacun individuellement dans un espace (12) rempli de solution externe (2), le premier canal principal (11) étant maintenu à une pression supérieure audit espace (12) rempli de solution externe, le premier canal principal (11) ayant une section de passage au moins 5 fois supérieure à chaque microcanal (13), - on forme les gouttes lorsque le fluide passe de chaque microcanal (13) dans ledit espace (12) rempli de solution externe (2). 2. Procédé microfluidique selon la revendication 1, dans lequel on fait circuler le fluide (3) le long du premier canal principal (11) entre des premier et deuxième réservoirs (16, 17) maintenus en surpression à des première et deuxième pressions différentes, supérieures à la pression atmosphérique, et on fait circuler alternativement le fluide (3) en sens opposés le long du premier canal principal (11), en faisant varier les première et deuxième pressions de façon que la première pression soit alternativement supérieure et inférieure à la deuxième pression. 3. Procédé microfluidique selon l'une quelconque 3043571 13 des revendications précédentes, dans lequel ledit espace rempli de solution externe (2) est un deuxième canal principal (12) et on fait circuler la solution externe (2) le long dudit deuxième canal principal (12), le deuxième 5 canal principal (12) ayant une section de passage au moins 5 fois supérieure à chaque microcanal (13). 4. Procédé microfluidique selon la revendication 3, dans lequel on fait circuler la solution externe (2) le long du deuxième canal principal (12) entre des troisième 10 et quatrième réservoirs (20, 21) maintenus en surpression à des troisième et quatrième pressions différentes, supérieures à la pression atmosphérique, et on fait circuler alternativement la solution externe (2) en sens opposés le long du deuxième canal principal (12), en 15 faisant varier les troisième et quatrième pressions de façon que la troisième pression soit alternativement supérieure et inférieure à la quatrième pression. 5. Procédé microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les gouttes (1) 20 ont un diamètre (D) inférieur à 20 pm et le fluide (3) contient des nanogouttes ayant un diamètre inférieur à 5 pm. 6. Procédé microfluidique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la solution 25 externe (2) contient un agent tensioactif. 7. Dispositif microfluidique pour fabriquer une émulsion comprenant des gouttes (1) en émulsion dans une solution externe (2), les gouttes contenant un fluide (3), le dispositif comprenant: 30 - un premier canal principal (11) rempli de fluide (3) , - des moyens pour on faire circuler le fluide (3) le long du premier canal principal (11), - un espace (12) rempli de solution externe (2), 35 - une pluralité de microcanaux (13) disposés le 3043571 14 long du premier canal principal (11), qui communiquent chacun individuellement avec ledit premier canal principal (11) et débouchent chacun individuellement dans ledit espace (12) rempli de solution externe (2), lesdits 5 microcanaux étant adaptés pour former les gouttes (1) dans l'espace (12) rempli de solution externe, le premier canal principal (11) ayant une section de passage au moins 5 fois supérieure à chaque microcanal (13), - des moyens de mise en pression (22-26) pour 10 maintenir le premier canal principal (11) une pression supérieure audit espace (12) rempli de solution externe. 8. Dispositif microfluidique selon la revendication 7, dans lequel le premier canal principal (11) relie entre eux des premier et deuxième réservoirs (16, 17) et les 15 moyens de mise en pression (22-26) sont adaptés pour maintenir les premier et deuxième réservoirs (16, 17) en surpression, respectivement à des première et deuxième pressions différentes, supérieures à la pression atmosphérique, et les moyens de mise en pression (22-26) 20 sont prévus pour faire circuler alternativement le fluide (3) en sens opposés le long du premier canal principal (11), en faisant varier les première et deuxième pressions de façon que la première pression soit alternativement supérieure et inférieure à la deuxième pression. 25 9. Dispositif microfluidique selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, dans lequel ledit espace rempli de solution externe (2) est un deuxième canal principal (12) et le dispositif microfluidique comporte des moyens (22, 25, 26) pour faire circuler la solution externe (2) le 30 long dudit deuxième canal principal (12), le deuxième canal principal (12) ayant une section de passage au moins 5 fois supérieure à chaque microcanal (13). 10. Dispositif microfluidique selon la revendication 9, dans lequel le deuxième canal principal 35 (12) relie entre eux des troisième et quatrième réservoirs 3043571 15 (20, 21) et le dispositif microfluidique comporte des moyens de mise en pression (22-26) pour maintenir les troisième et quatrième réservoirs (20, 21) en surpression, respectivement à des troisième et quatrième pressions 5 différentes, supérieures à la pression atmosphérique, et les moyens de mise en pression (22-26) sont prévus pour faire circuler alternativement la solution externe (2) en sens opposés le long du deuxième canal principal (12), en faisant varier les troisième et quatrième pressions de 10 façon que la troisième pression soit alternativement supérieure et inférieure à la quatrième pression. 15