Brevet FR3058910A1 — publié le 20180525

Procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique et dispositif microfluidique obtenu par le procédé Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique et à un dispositif microfluidique obtenu par le procédé. Etat de la technique Il est connu des documents US2012/064597A1, US2013/130262A1, US2007/166199A1 et US2006/076068A1 des dispositifs microfluidiques formés d'un réseau microfluidique de capsules microfluidiques et de canaux reliant les capsules entre elles. Chaque capsule microfluidique comporte une chambre dans laquelle débouche un canal d'entrée et dont ressort un canal de sortie. Une membrane déformable est commandée entre deux positions pour conférer deux états distincts à la capsule, un premier état dans lequel le canal d'entrée communique avec le canal de sortie via la chambre autorisant un transfert de fluide, et un deuxième état dans lequel la membrane bloque la communication entre les deux canaux, empêchant l'écoulement de fluide et le remplissage de la chambre de la capsule. La commande de la membrane entre ses deux états sera par exemple réalisée à l'aide de moyens pneumatiques, par exemple en exerçant sur elle une pression positive ou une pression négative. Pour réaliser ces dispositifs, les solutions connues sont réalisées par un assemblage multicouche dans lequel la membrane déformable forme une couche intermédiaire prise entre deux cartes. La membrane est souvent collée ou fixée par de l'adhésif double-face prédécoupé. De tels dispositifs microfluidiques sont souvent difficiles à assembler car : - Ils nécessitent de découper l'adhésif d'une manière adaptée pour libérer l'espace réservé aux chambres ; - Ils nécessitent un positionnement parfait des différentes couches entre elles ; - La présence de colle rajoute une surépaisseur difficile à contrôler (variation de plusieurs microns voire quelques dizaines de microns) et peut également interagir avec les liquides d'intérêt ; - La membrane est réalisée sous la forme d'un film mince en silicone qui est perméable à l'air. 3058910 2 Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif microfluidique qui s'affranchisse des contraintes d'assemblage de l'état de la technique et un procédé de fabrication d'un tel dispositif microfluidique. 5 Exposé de l'invention Ce but est atteint par un procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique comportant un réseau microfluidique comprenant plusieurs capsules microfluidiques, chaque capsule microfluidique étant réalisée par les étapes suivantes : - Réalisation d'une cavité à travers une plaque support ; 10 - Remplissage au moins partiel de ladite cavité à l'aide d'un élément en matériau déformable se présentant dans un état initial liquide ; - Solidification dudit élément en matériau déformable à l'intérieur de la cavité de manière à y délimiter une chambre de volume modulable par déformation dudit élément. 15 Selon un mode de réalisation préféré, la plaque support est formée par l'assemblage d'une première carte sur une deuxième carte et le procédé comporte les étapes suivantes : - Réalisation d'un trou débouchant à travers ladite première carte de manière à définir ladite cavité, ladite cavité présentant une entrée débouchant sur 20 une première face de la première carte, dite face supérieure, et une sortie débouchant sur une deuxième face de la première carte ; - Remplissage au moins partiel de ladite cavité à l'aide de l'élément en matériau déformable se présentant dans son état initial liquide ; - Assemblage sur ladite première carte de ladite deuxième carte, de manière 25 à recouvrir la sortie de ladite cavité, ladite deuxième carte comportant une empreinte microfluidique réalisée sur sa face inférieure de manière à former un réseau microfluidique entre plusieurs capsules microfluidiques. Selon une particularité, préalablement à l'étape de remplissage, le procédé peut comporter une étape de positionnement d'un support provisoire plan sur la surface 30 inférieure de la première carte de manière à obturer la sortie de ladite cavité et, lors de l'étape de remplissage, l'élément en matériau déformable est ajouté par l'entrée de ladite cavité. Selon une autre particularité, préalablement à l'étape de remplissage, le procédé peut comporter une étape d'obturation de l'entrée de ladite cavité à l'aide d'un 35 moule amovible et, lors de l'étape de remplissage, l'élément en matériau déformable est ajouté par la sortie de ladite cavité. 3058910 3 L'invention concerne également un dispositif microfluidique comportant une plaque support dans laquelle est réalisé au moins un canal d'entrée, un canal de sortie et une capsule microfluidique destinée à commander l'écoulement d'un fluide entre le canal d'entrée et le canal de sortie par un actionnement, chaque capsule microfluidique 5 comportant une chambre de volume modulable par déplacement d'un élément en matériau déformable. Le dispositif est réalisé selon le procédé défini ci-dessus, de sorte que la chambre de chaque capsule microfluidique est formée dans une cavité réalisée dans ladite plaque support, chaque cavité étant remplie par ledit élément en matériau déformable de manière à obturer une entrée de ladite cavité et à délimiter le volume de 10 la chambre. Selon une particularité, la plaque support est formée par l'assemblage d'une première carte et d'une deuxième carte l'une sur l'autre. Selon une autre particularité : - La première carte comporte une première face, dite face supérieure, une 15 deuxième face opposée à la première face, dite face inférieure et une tranche formant son épaisseur, - Ladite deuxième carte comporte une première face, dite face supérieure, une deuxième face opposée à la première face, dite face inférieure et une tranche formant son épaisseur, 20 - La deuxième carte est assemblée par sa face inférieure sur la face supérieure de la première carte. Selon une autre particularité, la première carte et la deuxième carte sont réalisés dans un matériau choisi parmi les matériaux suivants : polymère polycarbonate, PMMA, COC, silicium. 25 Selon une autre particularité, la cavité est réalisée par un trou débouchant à travers ladite première carte suivant son épaisseur. Le trou débouchant peut présenter une forme interne cylindrique ou une forme interne à deux cylindres de diamètres distincts. Selon une première variante de réalisation, lorsque la capsule n'est pas 30 actionnée, l'élément en matériau déformable occupe exactement l'espace du trou débouchant. Selon une deuxième variante de réalisation, lorsque la capsule n'est pas actionnée, l'élément en matériau déformable occupe partiellement le volume du trou débouchant. 3058910 4 Selon une troisième variante de réalisation, lorsque la capsule n'est pas actionnée, l'élément en matériau déformable occupe un volume supérieur à celui du trou débouchant. Selon une particularité, la deuxième carte comporte une empreinte 5 microfluidique creusée sur sa face inférieure et formant un réseau de canaux microfluidiques entre des capsules microfluidiques. Selon une autre particularité, l'élément en matériau déformable comporte un degré de déformation élastique compris entre 400 et 1000%. Selon une autre particularité, l'élément en matériau déformable est formé d'un 10 matériau bi-composant et/ou réticulable, tel que par exemple un élastomère en silicone ou un matériau de type polydiméthylsiloxane (PDMS). Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description 15 détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels : - Les figures 1A et 1B représentent le dispositif microfluidique de l'invention, respectivement suivant une première coupe longitudinale verticale et suivant une deuxième coupe longitudinale horizontale. - Les figures 2A et 2B représentent une première variante de réalisation d'une 20 capsule microfluidique du dispositif de l'invention. - Les figures 3A et 3B représentent une autre variante de réalisation d'une capsule microfluidique du dispositif de l'invention. - La figure 4 représente une autre variante de réalisation d'une capsule microfluidique. 25 - Les figures 5A et 5B représentent une autre variante de réalisation d'une capsule microfluidique du dispositif de l'invention. - La figure 6 représente les différentes étapes mises en oeuvre dans le procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique de l'invention. - La figure 7 illustre une variante de réalisation d'une étape du procédé de 30 fabrication de l'invention. - La figure 8 illustre une autre variante de réalisation d'une étape du procédé de fabrication de l'invention. - Les figures 9A et 9B illustrent le principe de fonctionnement d'un dispositif microfluidique de l'invention à plusieurs capsules microfluidiques du type 35 des figures 1A et 1B. 3058910 5 Description détaillée d'au moins un mode de réalisation Dans la suite de la description, les termes "supérieur", "inférieur", "haut", "bas", "dessus", "dessous" ou autres termes équivalents sont à comprendre en prenant comme référence un axe (X) vertical. 5 Le dispositif microfluidique 1 de l'invention sera adapté pour tous types d'application, notamment des applications médicales dans lesquelles un échantillon liquide doit être analysé. Il s'agira par exemple d'un échantillon sanguin auquel il est nécessaire d'ajouter différents réactifs pour être analysé. De manière générale, en référence aux figures 1A et 1B, un dispositif 10 microfluidique 1 selon l'invention comporte une plaque support comprenant une face supérieure 110, une face inférieure 100 et une tranche formant l'épaisseur de ladite plaque support. La plaque support présente par exemple un format plat de type carte de crédit. Le dispositif microfluidique 1 comporte au moins un canal d'entrée 20, au moins un canal de sortie 21 et au moins une capsule microfluidique 3 destinée à commander 15 le passage d'un fluide F entre ledit canal d'entrée et ledit canal de sortie. Le dispositif microfluidique 1 de l'invention peut comporter un réseau microfluidique comportant plusieurs de ces capsules microfluidiques 3 et des canaux microfluidiques reliant les capsules entre elles selon différents schémas possibles. Le dispositif 1 pourra notamment comporter plusieurs capsules reliées en série par des 20 canaux. Selon l'invention, une capsule microfluidique 3 employée dans le dispositif de l'invention comporte une chambre 30 de volume modulable réalisée dans la plaque support 10. Elle comporte une entrée fluidique, préférentiellement radiale, communiquant avec un canal d'entrée 20 et une sortie fluidique, préférentiellement 25 radiale, communiquant avec un canal de sortie 21. Son entrée fluidique et sa sortie fluidique communiquent avec le volume de ladite chambre 30. La chambre présente un volume modulable défini par la déformation d'un élément 31 en matériau déformable. L'élément 31 est déformable entre au moins deux états pour faire varier le volume interne de la chambre 30 et ainsi commuter la capsule 30 3. Dans un premier état, il autorise l'écoulement du fluide F dans la chambre 30, la chambre réalisant la liaison entre le canal d'entrée 20 et le canal de sortie 21. Dans un deuxième état, il bloque l'écoulement d'un fluide F dans la chambre, empêchant la circulation de celui-ci entre le canal d'entrée 20 et le canal de sortie 21. 3058910 6 Selon l'invention, l'élément 31 en matériau déformable est logé dans une cavité 7 réalisée dans la plaque support. Le canal d'entrée 20 et le canal de sortie 21 débouchent dans ladite cavité. L'entrée de la cavité est obturée de manière hermétique par l'élément 31 en 5 matériau déformable. Cette entrée définit un trou d'actionnement 40 par lequel l'élément 31 en matériau déformable reste accessible, permettant ainsi de l'actionner entre ses deux états et de commuter la capsule 3. Lors de la fabrication, l'élément 31 en matériau déformable est initialement à l'état liquide et versé dans ladite cavité 7 dans une quantité adaptée pour définir le 10 volume de la chambre 30 et sa configuration. Après remplissage et dans son état final, l'élément 31 en matériau déformable obture de manière hermétique l'accès au volume de la chambre par sa face arrière et sa déformation va permettre de moduler la taille de ce volume. L'élément 31 en matériau déformable est ainsi choisi pour présenter un état initial liquide et un état final solide et déformable. 15 Préférentiellement, l'élément 31 en matériau déformable présente les caractéristiques suivantes : - A l'état solide, le matériau est élastique, de préférence très étirable, typiquement avec des modules d'élasticité de l'ordre de quelques 100kPa et avec des taux d'élongation élastique maximum de plusieurs centaines de 20 %, typiquement 400-1000% ; - Une durée de manipulation à l'état liquide égale à au moins une demi-heure pour s'assurer que le matériau ne durcisse pas pendant le remplissage. Ce temps dépend de la quantité de dispositifs à réaliser pour une quantité de matériau donnée et également de la durée du processus de remplissage ; 25 - Un degré de viscosité à l'état liquide lui permettant de venir remplir la cavité au moins partiellement. Pour avoir les propriétés définies ci-dessus, l'élément 31 en matériau déformable est par exemple choisi parmi les composants cités ci-dessous : 30 - Il pourra s'agir d'un matériau bi-composant tel que par exemple un élastomère de type PDMS (pour Polydimethylsiloxane) ou ECOFLEX (marque déposée par la société « Smooth-On ») ; 3058910 7 - Il pourra s'agir d'un matériau polymère de type mousse polyuréthane, mousse silicone, PVC, polystyrène, polyimide, EPDM (Ethylène Propylène) si celui-ci possède des propriétés d'élongation équivalente. Ci-dessous, un tableau listant différents composants pouvant être employés 5 dans le dispositif et leurs caractéristiques mécaniques : Nom Taux Ratio maximum d'élongation Module de Young Coefficient de Poisson maximum d'élongation Si REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif microfluidique (1) comportant un réseau microfluidique comprenant plusieurs capsules microfluidiques (3), chaque capsule microfluidique (3) étant réalisée par les étapes suivantes : - Réalisation d'une cavité (7) à travers une plaque support ; - Remplissage au moins partiel de ladite cavité (7) à l'aide d'un élément (31) en matériau déformable se présentant dans un état initial liquide ; - Solidification dudit élément (31) en matériau déformable à l'intérieur de la cavité (7) de manière à y délimiter une chambre de volume modulable par déformation dudit élément. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque support est formée par l'assemblage d'une première carte sur une deuxième carte et en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - Réalisation d'un trou débouchant (102, 103) à travers ladite première carte (10) de manière à définir ladite cavité (7), ladite cavité présentant une entrée débouchant sur une première face de la première carte, dite face supérieure, et une sortie débouchant sur une deuxième face de la première carte ; - Remplissage au moins partiel de ladite cavité (7) à l'aide de l'élément (31) en matériau déformable se présentant dans son état initial liquide ; - Assemblage sur ladite première carte (10) de ladite deuxième carte (11), de manière à recouvrir la sortie de ladite cavité, ladite deuxième carte (11) comportant une empreinte microfluidique réalisée sur sa face inférieure de manière à former un réseau microfluidique entre plusieurs capsules microfluidiques. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, préalablement à l'étape de remplissage, il comporte une étape de positionnement d'un support (5) provisoire plan sur la surface inférieure de la première carte de manière à obturer la sortie de ladite cavité (7) et en ce que, lors de l'étape de remplissage, l'élément (31) en matériau déformable est ajouté par l'entrée de ladite cavité. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, préalablement à l'étape de remplissage, il comporte une étape d'obturation de l'entrée de ladite cavité à l'aide d'un moule (6) amovible et en ce que, lors de l'étape 3058910 15 de remplissage, l'élément (31) en matériau déformable est ajouté par la sortie de ladite cavité. 5. Dispositif microfluidique (1) comportant une plaque support dans laquelle est réalisé au moins un canal d'entrée (20), un canal de sortie (21) et une capsule 5 microfluidique (3) destinée à commander l'écoulement d'un fluide (F) entre le canal d'entrée et le canal de sortie par un actionnement, chaque capsule microfluidique (3) comportant une chambre (30) de volume modulable par déplacement d'un élément (31) en matériau déformable, caractérisé en ce que le dispositif est réalisé selon le procédé de fabrication défini dans l'une des revendications 1 à 4, de sorte 10 que la chambre de chaque capsule microfluidique (3) est formée dans une cavité (7) réalisée dans ladite plaque support, chaque cavité (7) étant remplie par ledit élément (31) en matériau déformable de manière à obturer une entrée de ladite cavité et à délimiter le volume de la chambre. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plaque support 15 est formée par l'assemblage d'une première carte (10) et d'une deuxième carte (11) l'une sur l'autre. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que : - La première carte (10) comporte une première face, dite face supérieure, une deuxième face opposée à la première face, dite face inférieure et une 20 tranche formant son épaisseur ; - Ladite deuxième carte (11) comporte une première face, dite face supérieure, une deuxième face opposée à la première face, dite face inférieure et une tranche formant son épaisseur ; - La deuxième carte (11) est assemblée par sa face inférieure sur la face 25 supérieure de la première carte. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la première carte (10) et la deuxième carte (11) sont réalisés dans un matériau choisi parmi les matériaux suivants : polymère polycarbonate, PMMA, COC, silicium. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la cavité est 30 réalisée par un trou débouchant (102, 103) à travers ladite première carte (10) suivant son épaisseur. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le trou débouchant (102) présente une forme interne cylindrique. 11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le trou débouchant (103) présente une forme interne à deux cylindres de diamètres distincts. 3058910 16 12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que, lorsque la capsule n'est pas actionnée, l'élément (31) en matériau déformable occupe exactement l'espace du trou débouchant (102). 13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que, 5 lorsque la capsule n'est pas actionnée, l'élément (31) en matériau déformable occupe partiellement le volume du trou débouchant. 14. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que, lorsque la capsule n'est pas actionnée, l'élément (31) en matériau déformable occupe un volume supérieur à celui du trou débouchant. 10 15. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 14, caractérisé et en ce que la deuxième carte (11) comporte une empreinte microfluidique creusée sur sa face inférieure et formant un réseau de canaux microfluidiques entre des capsules microfluidiques (3). 16. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 15, caractérisé en ce que 15 l'élément (31) en matériau déformable comporte un degré de déformation élastique compris entre 400 et 1000%. 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'élément (31) en matériau déformable est formé d'un matériau bi-composant et/ou réticulable. 18. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'élément (31) en 20 matériau déformable est formé d'un élastomère en silicone. 19. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'élément (31) en matériau déformable est de type polydiméthylsiloxane (PDMS). 25