Brevet FR3071317A1 — publié le 20190322

Dispositif pour la compression d'un échantillon biologique, système et banc de mesure de la rigidité d'un échantillon comprenant un tel dispositif Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine de la conception et de la fabrication des dispositifs pour la mesure de propriétés mécaniques d'échantillons de matériaux tels que des échantillons de tissus biologiques. Plus précisément, l'invention concerne la mesure de la rigidité de tels échantillons de taille micrométrique ou millimétrique. L'invention trouve son application notamment dans le domaine médical et pharmaceutique. De nombreuses pathologies se traduisent en effet par des variations fortes de la rigidité des tissus biologiques concernés. Par exemple, les tissus tumoraux sont souvent beaucoup plus durs que les tissus sains. Un facteur 100 ou davantage peut ainsi être observé. La détection de ces variations peut constituer une aide au diagnostic de celles-ci ou à l'évaluation de l'efficacité des protocoles de leur traitement ou à l'évaluation de l'efficacité de molécules pharmaceutiques en vue de celui-ci. L'invention pourra par exemple être mise en oeuvre pour mesurer la rigidité de très petits échantillons de peau, de vaisseaux sanguins, de valves cardiaques, de ligaments, de sclérotique, etc. De tels échantillons pourront être prélevés par biopsie, par aiguille etc. L'invention trouve aussi son application dans le domaine de l'ingénierie tissulaire. Dans ce domaine, il est important que la rigidité d'un matériau de substitution, par exemple un matériau visant à réaliser un ménisque, approche au mieux celle du tissu à remplacer. Art antérieur On connaît dans l'art antérieur essentiellement deux types de dispositifs permettant de mesurer des propriétés mécaniques de petits échantillons notamment de tissus biologiques. Les extensomètres permettent de mesurer la résistance à la traction et l'allongement de tels échantillons. Les indenteurs permettent quant à eux de comprimer l'échantillon de tissu et d'en déduire la rigidité du tissu testé. C'est à cette deuxième catégorie que se rapporte la présente invention. Les indenteurs présentent l'inconvénient de ne pas permettre d'analyser des échantillons présentant de grandes différences de rigidités avec un même équipement, sans 2 y apporter de modifications. Ainsi, le matériel commercialisé par la société CellScale sous la dénomination Microsquisher® permet d'appliquer sur l'échantillon testé une pression grâce à un bras de levier. Le bras de levier peut être changé pour appliquer des pressions de plus en plus fortes. Un inconvénient de ce dispositif est que pour offrir une gamme large de 5 mesure, jusqu'à sept bras leviers différents peuvent être utilisés. Les manipulations pour procéder aux changements de levier sont délicates. De plus, elles peuvent altérer la qualité des mesures. A titre d'exemple, pour appliquer une pression allant de 40 kPa sur un échantillon de tissu biologique sain à 180 kPa sur un échantillon de tissu malade, trois bras de levier sont nécessaires. 10 En pratique, ces dispositifs sont difficiles à utiliser pour tester des échantillons biologiques dont la dureté peut varier sur de larges gammes. Objectifs de l'invention Un objectif de l'invention est de proposer un dispositif pour la compression d'échantillons, notamment biologiques, pouvant être intégré dans un système de mesure de 15 la rigidité de ceux-ci, moins couteux et moins compliqué à mettre en oeuvre que les systèmes de l'art antérieur. Un objectif de l'invention est aussi de proposer des moyens permettant de mesurer la dureté de divers échantillons pouvant présenter des duretés très variables, sans qu'il soit besoin de procéder à des manipulations délicates telles que des changements de bras de 20 leviers. Un autre objectif de la présente invention est de proposer un tel dispositif et un tel système particulièrement adaptés aux échantillons biologiques de petites tailles. Encore un objectif de la présente invention est de décrire un banc de mesure pouvant accueillir un tel dispositif pour la compression d'échantillons. 25 Exposé de l'invention Tout ou partie de ces objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne un dispositif pour la compression d'un échantillon, notamment biologique, de dimensions micrométriques ou millimétriques caractérisé en ce qu'il comprend une plaque en matériau rigide, biocompatible et transparent (tel par exemple que du 30 verre, du polyméthacrylate de méthyle, du polystyrène ou un copolymère de cyclo-oléfine) à laquelle est solidarisée une plaque porte-échantillon délimitant un espace de réception dudit échantillon, une plaque compressive accueillant un plot de compression centré par 3 rapport audit espace de réception dudit échantillon et une membrane élastique solidaire de la dite plaque compressive et dudit plot de compression apte à organiser la mobilité dudit plot de compression selon un mouvement vertical sous l'effet d'une pression, une plaque intermédiaire solidarisée à ladite plaque compressive et délimitant une chambre de 5 pression, et une plaque pourvue d'une ouverture permettant d'accueillir des moyens d'application d'une pression sur ladite membrane élastique. Préférentiellement, le dispositif comprend ladite plaque en matérieu rigide, biocompatible et transparent, sur la partie supérieure de laquelle est solidarisée ladite plaque porte-échantillon délimitant ledit espace de réception dudit échantillon, ladite 10 plaque compressive posée sur une face supérieure de ladite plaque porte-échantillon et accueillant ledit plot de compression centré par rapport audit espace de réception dudit échantillon et ladite membrane élastique solidaire de ladite plaque compressive et dudit plot de compression apte à organiser la mobilité dudit plot de compression selon un mouvement vertical sous l'effet d'une pression, ladite plaque intermédiaire solidarisée sur 15 une partie supérieure de ladite plaque compressive et délimitant une chambre de pression, et ladite plaque pourvue d'une ouverture permettant d'accueillir des moyens d'application d'une pression sur ladite membrane élastique, fixée à une face supérieure de ladite plaque intermédiaire Le dispositif comprend ainsi, d'une part un premier ensemble constitué par la plaque de 20 en matériau rigide, bicompatible et transparent, et la plaque porte-échantillon solidarisée à celle-ci, et d'autre part un second ensemble constitué de la plaque compressive solidarisée à la plaque intermédiaire, elle-même solidarisée à la plaque en matériau rigide, biocompatible et transparent . La solidarisation des plaques pourra être faite par collage après un traitement au plasma des surfaces. 25 Au cours de son utilisation, le premier ensemble peut être posé sur un support, par exemple la platine d'un banc d'essai, de façon telle que la plaque de verre soit en contact avec ce support. L'échantillon à compresser peut ensuite être installé dans l'espace de réception de ladite plaque porte-échantillon. Une fois l'échantillon positionné, le second ensemble peut être posé sur le premier ensemble de façon telle que le plot de compression 30 vienne au contact dudit échantillon en se centrant sur ledit espace de réception. L'espace d'accueil de l'échantillon permet de recevoir des échantillons de taille micrométrique ou millimétrique, en pratique allant généralement de quelques centaines de 4 microns à quelques millimètres. Ces échantillons pourront notamment être cylindriques et provenir par exemple d'un prélèvement effectué par une aiguille ou un trocart. Du fait de leur très petite taille, leur dureté pourra être considérée comme homogène. Préférentiellement ledit plot de compression, ladite membrane élastique et ladite plaque 5 compressive sont intégrés en un seul élément. Un telle caractéristique permet de faciliter le centrage du plot de compression sur l'espace de réception de l'échantillon. Un tel élément peut être fabriqué aisément par moulage. Selon une variante préférentielle de l'invention, ladite membrane élastique présente une épaisseur comprise entre 5 ,i,m et 200 ,i,m. De telles faibles épaisseurs permettent 10 d'optimiser la flexibilité de la membrane, c'est-à-dire d'obtenir une déformation de celle-ci dans la gamme de pression qui sera appliquée à l'échantillon grâce à un système de mesure tel que décrit ci-après. Selon une variante de l'invention lesdites plaque porte-échantillon, plaque compressive, plaque intermédiaire et plaque en matériau rigide, biocompatible et transparent présentent 15 indépendamment chacune une épaisseur comprise entre 1 mm et quelques millimètres. On notera que l'épaisseur de la plaque compressive pourra être tributaire de celle de la membrane élastique. Préférentiellement, ladite plaque porte-échantillon, ladite plaque compressive, ledit plot de compression, ladite membrane élastique et ladite plaque intermédiaire sont tous 20 constitués en polydiméthylsiloxane. Un tel matériau présente l'intérêt d'être peu couteux. Il peut être facilement moulé, il est stable dans le temps et biocompatible. Il peut être collé de manière étanche sur du verre ou une autre couche de PDMS avec un simple traitement plasma. Il est donc tout à fait adapté à la réalisation du dispositif multi-couches selon la présente invention. Il est aussi transparent aux fréquences optiques (240 nm à 1100 nm) et 25 présente une auto-fluorescence faible. Comme décrit ci-après, il permet donc une observation grâce à des moyens optiques de la déformation de l'échantillon. Pour la plaque en matériau rigide, biocompatible et transparent, ce matériau pourra être par exemple du verre, du polyméthacrylate de méthyle, du polystyrène ou un copolymère de cyclo-oléfine. Toutefois, préférentiellement, on utilisera du polystyrène. Un tel matériau 30 est également bon marché et permet une manipulation facilitée du second ensemble dudit dispositif. De plus, il autorise la fixation aisée d'une connectique, en l'occurrence celle d'un capteur de pression d'un système de mesure tel que décrit ci-après. 5 Selon une variante particulièrement intéressante, ledit dispositif est à usage unique. Selon une telle variante, le dispositif peut être jeté après usage, limitant ainsi notamment les risques de contamination du dispositif par les échantillons. L'invention concerne aussi un système de mesure de la rigidité d'un échantillon 5 biologique comprenant un dispositif pour la compression d'un échantillon tel que décrit ci- dessus, et comprenant de plus des moyens pour appliquer une pression sur ladite membrane élastique dudit dispositif, un capteur de pression mesurant la pression exercée sur ladite membrane élastique, et des moyens de calcul de la valeur d'un paramètre représentatif de ladite rigidité, tel que le module élastique, dudit échantillon en fonction de 10 sa déformation et du résultat de la mesure effectuée par ledit capteur de pression. Un tel système permet d'appliquer une pression sur un échantillon positionné dans l'espace de réception de ladite plaque porte-échantillon. Préférentiellement, lesdits moyens pour appliquer une pression sur ladite membrane incluent une pompe micro-fluidique. Un tel matériel est tout à fait adapté pour appliquer 15 facilement une pression variable sur l'échantillon. Bien que le dispositif de compression ainsi que le système de mesure de la rigidité de l'invention pourront être adaptés à n'importe quel banc de mesure, l'invention concerne également un banc de mesure de la rigidité d'un échantillon biologique comprenant un plateau monté mobile dans les trois dimensions conçu pour accueillir au moins un dispositif 20 pour la compression tel que décrit ci-dessus, une enceinte régulée en température à l'intérieur de laquelle est prévu ledit plateau monté mobile et des moyens optiques permettant de visualiser la déformation d'un échantillon placé dans ledit dispositif. Listes des figures La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un mode de 25 réalisation non limitatif qui va suivre d'un dispositif, d'un système et d'un banc de mesure selon l'invention, donné en référence aux dessins dans lesquels : - les figures 1, 3, 5, 7 et 9 représentent en perspective les différentes pièces constitutives d'un dispositif de compression selon la présente invention ; - les figures 2, 4, 6, 8 et 10 représentent des vues en coupe AA des figures 1, 3, 5, 7 et 9 30 respectivement ; - la figure 11 représente une vue en perspective éclatée dudit dispositif avant association de ses différentes pièces constitutives ; 6 - la figure 12 représente une vue en coupe du dispositif après association de ses différentes pièces constitutives et accueillant un échantillon à tester avant application d'une pression ; - la figure 13 représente une vue en coupe du même dispositif accueillant l'échantillon 5 lors de l'application d'une pression ; - la figure 14 représente de façon schématique un banc de mesure incluant un système de mesure de la rigidité d'un échantillon accueillant un dispositif de compression selon les figures 1 à 13; - la figure 15 représente une vue de côté d'un dispositif de compression selon l'invention 10 positionné sur la platine du banc de mesure représenté à la figure 14. Description d'un mode de réalisation En référence aux figures 1 à 10 les cinq plaques constituant un exemple non limitatif de réalisation d'un dispositif de compression selon la présente invention sont représentées de façon séparée, chacune en perspective et en coupe transversale AA. Ces cinq plaques 15 s'inscrivent toutes dans un carré de 1,5 cm de côté. La plaque de verre 1 représentée aux figures 1 et 2 est en verre transparent, plane et présente une épaisseur de 1mm. Les plaques porte-échantillon, compressive, intermédiaire représentées aux figures 3 à 10 sont toutes en PDMS et ont été obtenues par moulage. Dans le cadre du présent mode 20 de réalisation on a utilisé un PDMS obtenu par mélange d'une base commerciale et d'un agent réticulant commercial dans un rapport de 10 pour 1. Il pourra être envisagé dans d'autres modes de réalisation d'utiliser d'autres matériaux pour réaliser ces plaques. La plaque supérieure est quant à elle réalisée en polystyrène transparent d'environ 1mm d'épaisseur. D'autres matériaux pourront également être envisagés dans d'autres modes de 25 réalisation. La plaque porte-échantillon 2 montrée aux figures 3 et 4 présente un épaisseur de 1mm à quelques millimètres. Elle est pourvue en son centre un espace circulaire de réception 2a d'un échantillon pouvant aussi contenir un milieu liquide nécessaire au maintien de l'intégrité de l'échantillon. Cet espace circulaire présente un diamètre de 1 à 10mm. 30 La plaque compressive 3 représentée aux figures 5 et 6 présente une épaisseur de 1,1 mm et possède en son centre un plot de compression 3a relié au reste de la plaque par une membrane élastique 3b de 50 ,i,m d'épaisseur définissant un espace annulaire 3c. Ce plot de 7 compression 3a présente un diamètre, au niveau de sa face au contact de l'échantillon de 2mm. Ce plot présente la même épaisseur que le reste de la plaque compressive 3. L'espace annulaire 3c présente quant à lui une largeur de 0,9mm. La taille de la section transversale circulaire du plot 3a est inférieure à celle de l'espace circulaire de réception 2a de la plaque 5 porte-échantillon 2 qui mesure 2,5mm afin de ne pas engendrer de force de frottement. Cette plaque compressive 3 intégrant le plot 3a et la membrane 3b est constituée d'une seule pièce. La plaque intermédiaire 4 montrée aux figures 7 et 8 présente une épaisseur de 1, 1 mm et possède en son centre une chambre de compression 4a circulaire la traversant. Cette 10 chambre de compression 4a présente un diamètre de 4mm. Enfin la plaque supérieure 5 montrée aux figures 9 et 10 présente en son centre une ouverture 5a circulaire permettant d'accueillir des moyens d'application d'une pression sur ladite membrane élastique 3b. Cette ouverture présente un diamètre de 1,50 mm. En référence à la figure 11, le dispositif de compression 10 selon la présente invention 15 est obtenu en associant : - un premier ensemble 10a constitué de la plaque de verre 1 solidarisée par collage à la plaque porte-échantillon 2 ; et, - un second ensemble 10b constitué par la plaque compressive 3 solidarisée à la plaque intermédiaire 4, elle-même solidarisée à la plaque supérieure 5. 20 Dans le présent mode de réalisation, la solidarisation entre les plaques 1 et 2 d'une part et 3, 4 et 5 d'autre part a été obtenue grâce à une technique connue de collage après un traitement au plasma des surfaces Le dispositif de compression 10 peut être installé sur un banc de mesure 11 du type décrit en référence aux figures 1 à 13 et comprenant un plateau 12 monté mobile dans les 25 trois dimensions. Ce banc de mesure 11 comprend également des moyens 7 pour appliquer une pression sur la membrane élastique 3a du dispositif 10. Dans le présent mode de réalisation, ces moyens 7 incluent une pompe micro-fluidique permettant d'acheminer un fluide sous pression dans la chambre de pression 4a de la plaque intermédiaire 4 d'un dispositif de compression 10 tel que décrit ci-dessus positionné sur un support 12a du 30 plateau 12 grâce à des guides verticaux 12 b comme indiqué sur la figure 15. Le banc de mesure présente par ailleurs un capteur de pression 8 connecté à la plaque supérieure 5 du dispositif 10 et des moyens de calcul 9. Enfin, le banc de mesure 11 est équipé de moyens 8 optiques comprenant une source lumineuse 14 et une caméra 15 disposés selon un axe parallèle au plateau 12 passant par le centre du dispositif 10. En référence aux figures 12, 13 et 15, le banc de mesure 11 peut être utilisé de la façon suivante. 5 L'ensemble 10a du dispositif de compression 10 est positionné sur le plateau 12 et un échantillon 6 est placé dans l'espace de réception 2a de sa plaque porte-échantillon 2. L'ensemble 10b du dispositif de compression 10 est posé sur l'ensemble 10a contenant l'échantillon. L'échantillon se trouve ainsi protégé des risques de détérioration avant toute mesure. Le capteur de pression 8 est connecté à la plaque supérieure 5 du dispositif de 10 compression 10 à l'aide de connectiques et embouts micro-fluidiques. La source lumineuse 14, la caméra 15 et les moyens de calcul 9 sont activés. Une fois le dispositif 10 installé sur le banc 11, une pression (symbolisée par la flèche sur la figure 13) est appliquée à l'échantillon 6 grâce à la pompe micro-fluidique des moyens 7 qui achemine un fluide sous pression dans la chambre de pression 4a de la plaque 15 intermédiaire 4. Sous l'effet de la pression exercée par ce fluide, le plot 3a se déplace verticalement plus ou moins en fonction de la dureté de l'échantillon 6 comme indiqué sur la figure 13 pour une pression donnée. La résistance plus ou moins forte rencontrée par le plot 3a se traduit par une pression plus ou moins élevée exercée par l'échantillon sur le reste de l'ensemble 10b. Par conséquent, pour une même gamme de pression appliquée, un 20 déplacement moins important du plot 3a sera visualisé pour un échantillon 6 plus rigide. Cette pression est mesurée en continu par le capteur de pression 8 qui la transmet aux moyens de calcul 9 du module élastique correspondant de l'échantillon. La déformation de l'échantillon 6 peut être suivie en continu grâce à la caméra 15 dont les images peuvent être transmises sur un moniteur 16 des moyens de calcul 9. Par exemple, cette déformation 25 pourra être suivie par fluorescence de l'échantillon. Le dispositif et le banc de mesure représentés sur les figures ont été testés avec différents échantillons de duretés calibrées constitués de billes d'hydrogel présentant un diamètre variant de 300iim à 1mm et contenant différentes quantités de polyéthylèneglycol (PEG) correspondant à différents modules élastiques, comme indiqué au tableau 1 ci-après. 30 9 Tableau 1 %PEG 15% 20% 30% 40% E (kPa) 10,6120 115,1095 306,9445 432,3940 Ainsi, l'invention permet de mesurer en continu une large gamme de duretés sans qu'il soit nécessaire de procéder à des adaptations délicates (telles que par exemple un 5 changement de bras de levier) du dispositif ou du banc de mesure. Les mesures peuvent être effectuées sans réglage préliminaire. Le dispositif de compression est réalisable à faible coût et facilement reproductible. Il permet un centrage parfait de l'échantillon sans que ce dernier ait à faire l'objet d'une REVENDICATIONS1. Dispositif (10) pour la compression d'un échantillon, notamment biologique, de dimensions micrométriques ou millimétriques caractérisé en ce qu'il comprend une plaque (1) en matériau rigide, biocompatible et transparent à laquelle est solidarisée une plaque porte-échantillon (2) délimitant un espace de réception (2a) dudit échantillon, une plaque compressive (3) accueillant un plot de compression (3a) centré par rapport audit espace de réception (2a) dudit échantillon et une membrane élastique (3b) solidaire de la dite plaque compressive (3) et dudit plot de compression (3a) apte à organiser la mobilité dudit plot de compression (3a) selon un mouvement vertical sous l'effet d'une pression, une plaque intermédiaire (4) solidarisée à ladite plaque compressive (3) et délimitant une chambre de pression (4a) , et une plaque (5) pourvue d'une ouverture (5a) permettant d'accueillir des moyens d'application d'une pression sur ladite membrane élastique (3b). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend : ladite plaque en matériau rigide, transparent et biocompatible (1) sur la partie supérieure de laquelle est solidarisée ladite plaque porte-échantillon (2) délimitant ledit espace de réception (2a) dudit échantillon, ladite plaque compressive (3) posée sur une face supérieure de ladite plaque porte-échantillon (2) et accueillant ledit plot de compression (3a) centré par rapport audit espace de réception (2a) dudit échantillon et ladite membrane élastique (3b) solidaire de la dite plaque compressive (3) et dudit plot de compression (3a) apte à organiser la mobilité dudit plot de compression (3a) selon un mouvement vertical sous l'effet d'une pression, ladite plaque intermédiaire (4) solidarisée sur une partie supérieure de ladite plaque compressive (3) et délimitant ladite chambre de pression (4a), et ladite plaque (5) pourvue d'une ouverture (5a) permettant d'accueillir des moyens d'application d'une pression sur ladite membrane élastique (3a), fixée à une face supérieure de ladite plaque intermédiaire (4). 11 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit plot de compression (3a), ladite membrane élastique (3b) et ladite plaque compressive (3) sont intégrés en un seul élément. 4. Dispositif selon la revendication 1 à 3 caractérisé en ce que ladite membrane élastique (3b) présente une épaisseur comprise entre 5 p.m et 200 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que lesdites plaque porte-échantillon (2), plaque compressive (3) plaque intermédiaire (4) et plaque en matériau rigide, biocompatible et transparent (5) présentent indépendamment chacune une épaisseur comprise entre 1 mm et quelques mm. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ladite plaque porte-échantillon (2), ladite plaque compressive (3), ledit plot de compression (3a), ladite membrane élastique (3b) et ladite plaque intermédiaire (4) sont tous constitués en polydiméthylsiloxane. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ladite plaque en matériau rigide, biocompatible et transparent (5) est en polystyrène. 8. Système de mesure de la rigidité d'un échantillon biologique comprenant un dispositif (10) pour la compression dudit échantillon selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, des moyens (7) pour appliquer une pression sur ladite membrane élastique (3a) dudit dispositif, un capteur de pression (8) mesurant la pression exercée sur ladite membrane élastique (3b), des moyens de calcul (9) de la valeur d'un paramètre représentatif de ladite rigidité, tel que le module de Young, dudit échantillon en fonction de sa déformation et du résultat de la mesure effectuée par ledit capteur de pression (8). 9. Système de mesure selon la revendication 8 caractérisé en ce que lesdits moyens (7) pour appliquer une pression sur ladite membrane incluent une pompe micro-fluidique. 12 10. Banc de mesure (11) de la rigidité d'un échantillon biologique comprenant un plateau monté mobile (12) dans les trois dimensions conçu pour accueillir au moins un dispositif (10) pour la compression dudit échantillon selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, une enceinte (13) régulée en température à l'intérieur de laquelle est prévu ledit plateau monté mobile (12) et des moyens optiques (14, 15) permettant de visualiser la déformation d'un échantillon placé dans ledit dispositif (10).