Brevet FR3136060A1 — publié le 20231201

L’invention concerne un dispositif microfluidique (100) comprenant au moins un canal d’entrée (1, 2) de fluide de gaine et un canal d’entrée (3) de fluide échantillon, et un canal commun (4) configuré pour conduire le fluide échantillon (20) focalisé hydrodynamiquement et le au moins un fluide de gaine (21, 22) en direction d’au moins deux canaux de sortie (11, 12, 13). Selon l’invention, le dispositif microfluidique comporte des moyens de chauffage disposés pour transmettre sur une durée brève une quantité de chaleur localisée dans ledit au moins un flux de fluide de gaine (21, 22) dans le canal commun (4) en amont d’un embranchement entre lesdits au moins deux canaux de sortie (11, 12, 13) et ledit au moins un fluide de gaine présentant une variation thermique de viscosité adaptée pour dévier ou extraire une portion (120, 130, 220) du fluide échantillon sélectivement vers un canal de sortie déterminé. Figure pour l’abrégé : Fig. 9 Dispositif microfluidique, système et procédé de manipulation d’un fluide en écoulement La présente invention concerne le domaine technique des dispositifs et procédés microfluidiques. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif et procédé de manipulation microfluidique pour contrôler et dévier rapidement la direction d’écoulement d’un fluide. La présente invention trouve des applications dans la manipulation précise et rapide de fluides ou l’extraction de très petits volumes au sein d’un fluide. L’invention concerne tout particulièrement la manipulation et le tri de particules individuelles de taille nanométrique dans un fluide. Dans le domaine ci-dessus, il est connu d’utiliser des cytomètres en flux pour détecter, dénombrer, identifier des cellules ou des particules de dimensions micrométriques mises en suspension dans un fluide en écoulement en les faisant défiler, une par une et à grande vitesse, dans le faisceau d'un ou de plusieurs lasers puis pour les trier par la mise en œuvre de méthodes de tri basées sur des techniques variées. Les progrès en microscopie et en biologie ont permis de s’intéresser à des objets de taille toujours plus petite, en particulier à des nano-objets de taille inférieure à 100 nm. Les cytomètres en flux traditionnels ne fonctionnent correctement que pour des objets de taille supérieure au micromètre. Pour des objets de taille inférieure à 100 nm, les cytomètres sont actuellement limités par leur capacité de détection. De plus, concernant l’opération de tri de nano-objets, les volumes de fluide généralement utilisés par les trieurs de cellules connus et la taille des gouttes servant à encapsuler les objets à trier ne sont pas compatibles avec le tri d’objets nanométriques. Il existe différentes méthodes de tri d’objets dans une puce microfluidique. Certaines méthodes de tri reposent sur des techniques passives. Elles peuvent être basées sur des méthodes de focalisation inertielle ou sur la structure de la puce elle-même : cela permet de séparer les objets en sous populations en fonction de leurs caractéristiques physiques (volume, masse, …). D’autres méthodes de tri, également passives, reposent sur la microfabrication de piliers micrométriques et permettent de réaliser une chromatographie sur puce, mais ne sont applicables que pour les objets micrométriques ou des chaînes polymériques de longueur micrométrique et polydisperses. Ces méthodes passives de tri ne permettent pas de trier les objets un par un en fonction d’un signal spécifique, par exemple de fluorescence. Des techniques micromécaniques permettent de trier des objets de taille micrométrique à une cadence de tri relativement lente. Ainsi, l’utilisation de valves pour séparer des cellules, par exemple des cellules eucaryotes ou procaryotes, ne permet pas de dépasser une cadence de tri de 1 Hz. D’autres techniques actives de tri reposent sur l’application d’un champ électrique ou magnétique. Par exemple, la diélectrophorèse ou l’utilisation d’ondes acoustiques de surface permettent d’atteindre une cadence de tri de l’ordre du kHz sur des gouttes micrométriques préformées et encapsulant des objets individuels. A notre connaissance, il n’existe pas à ce jour de méthode de tri actif de nano-objets individuels dans une puce microfluidique capable de fonctionner à une cadence de tri supérieure à 1 kHz. On connait des appareils permettant de concentrer des nanoparticules par centrifugation, précipitation ou isolation. Cependant ces techniques ne permettent pas un tri individuel et/ou basé sur un signal spécifique des nanoparticules, par exemple un signal de fluorescence. Dans certaines applications particulières, il existe aussi des dispositifs microfluidiques adaptés pour trier des particules pré-encapsulées dans des gouttes dans de l’huile. Ces dispositifs nécessitent une étape préalable d’encapsulation. Le volume des gouttes actuellement accessible n’est pas compatible avec le tri individuel de nanoparticules car cela nécessite une dilution excessive et donc une durée de tri rédhibitoire pour des applications biologiques et médicales. La publication de Haneoka et al. « Microfluidic active sorting of DNA molecules labeled with single quantum dots using flow switching by a hydrogel sol-gel transition », Sensors and Actuators B 159 pp. 314-320, 2011, décrit un dispositif microfluidique pour trier des molécules dans un fluide. D’autre part, le document EP 3218107 divulgue des dispositifs de tri de microparticules dans un courant de fluide. Toutefois, la fréquence de commutation de ces dispositifs microfluidiques est limitée à quelques hertz ou à quelques centaines de hertz. Le brevet US 9,364,831 B2 divulgue un commutateur microfluidique basé sur l’absorption d’une impulsion laser intense pour induire par cavitation une bulle de gaz. Un tel commutateur microfluidique permet déplacer latéralement des billes de polystryrène de 10 µm de diamètre à une fréquence de commutation de 10 kHz. Cependant, la cavitation est susceptible de porter atteinte à l’intégrité de nano-objets ou à la viabilité de cellules biologiques fragiles en suspension. Un des buts de la présente divulgation est de proposer un appareil et procédé permettant de manipuler et/ou de trier en temps réel des objets de taille micrométrique à nanométrique, en suspension dans un fluide en écoulement, à une fréquence de commutation élevée, de l’ordre au moins du kilohertz, et avec innocuité, c’est-à-dire sans risque d’atteinte à l’intégrité de nano-objets ou à la viabilité de cellules biologiques fragiles en suspension dans le fluide. Un autre but de la présente divulgation est de proposer, pour certaines applications, un appareil et procédé permettant de manipuler et/ou trier des nano-objets en suspension dans un fluide, avec ou sans étape d’encapsulation préalable et en utilisant un fluide compatible avec l’analyse des nano-objets. A cet effet, l’invention concerne un dispositif microfluidique comprenant au moins un canal d’entrée de fluide de gaine et un canal d’entrée de fluide échantillon, au moins deux canaux de sortie et un canal commun disposé entre lesdits canaux d’entrée et lesdits canaux de sortie, le canal commun étant relié fluidiquement auxdits canaux d’entrée et de sortie, le canal d’entrée de fluide échantillon étant apte à injecter un fluide échantillon dans le canal commun, le au moins un canal d’entrée de fluide de gaine étant apte à injecter au moins un fluide de gaine dans le canal commun de façon à permettre une focalisation hydrodynamique du fluide échantillon dans le canal commun, le canal commun étant configuré pour conduire le fluide échantillon focalisé hydrodynamiquement et le au moins un fluide de gaine en direction desdits au moins deux canaux de sortie. Selon l’invention, le dispositif microfluidique comporte des moyens de chauffage comprend une source d’énergie et au moins un transducteur , les moyens de chauffage étant disposés pour transmettre sur une durée brève une quantité de chaleur localisée dans ledit au moins un flux de fluide de gaine dans le canal commun en amont d’un embranchement entre lesdits au moins deux canaux de sortie, les moyens de chauffage étant aptes à chauffer localement ledit au moins un flux de fluide de gaine dans le canal commun et ledit au moins un fluide de gaine présente une variation thermique de viscosité adaptée pour dévier ou extraire une portion du fluide échantillon sélectivement vers un canal de sortie déterminé parmi les au moins deux canaux de sortie. Selon un aspect particulier et avantageux, le au moins un canal d’entrée de fluide de gaine comprend un premier canal d’entrée et un deuxième canal d’entrée, le premier canal d’entrée étant apte à injecter un premier fluide de gaine et le deuxième canal d’entrée étant apte à injecter un deuxième fluide de gaine. Selon un premier mode de réalisation, les moyens de chauffage comprennent au moins un transducteur photo-thermique et la source d’énergie comprend une source laser configurée pour générer un faisceau laser focalisé sur ledit au moins un transducteur photo-thermique, ledit au moins un transducteur photo-thermique étant apte à absorber le faisceau laser et à transmettre la chaleur induite par le faisceau laser audit au moins un flux de fluide de gaine par conduction. Par exemple, ledit au moins un transducteur photo-thermique comprend une couche d’or ou d’indium. Selon un aspect particulier et avantageux du premier mode de réalisation, ledit au moins un transducteur photo-thermique comprend au moins un premier transducteur photo-thermique et au moins un deuxième transducteur photo-thermique, ledit au moins un premier transducteur photo-thermique et, respectivement, ledit au moins un deuxième transducteur photo-thermique étant aptes à absorber séquentiellement le faisceau laser, de façon à modifier le débit du premier fluide de gaine et, respectivement, du deuxième fluide de gaine pour extraire ladite portion du fluide échantillon. Avantageusement, ledit au moins un premier transducteur photo-thermique comprend une pluralité de transducteurs photo-thermiques disposés sur un côté du canal commun et/ou dans lequel ledit au moins un deuxième transducteur photo-thermique comprend une pluralité de transducteurs photo-thermiques disposés sur un autre côté du canal commun par rapport à un axe longitudinal du canal commun. Avantageusement, les moyens de chauffage comprennent au moins un troisième transducteur photo-thermique disposé sur un côté du premier canal de sortie et/ou au moins une quatrième transducteur photo-thermique disposé sur un côté du deuxième canal de sortie. Selon un deuxième mode de réalisation, les moyens de chauffage comprennent une source laser configurée pour générer un faisceau laser focalisé dans la gaine hydrodynamique à l’intérieur du canal commun et le fluide de gaine est apte à absorber le faisceau laser pour le transformer en chaleur. Avantageusement, la source laser est adaptée pour émettre une impulsion laser ayant une énergie comprise entre 10 nJ et 10µJ sur la durée brève inférieure ou égale à 50 µs. Selon un troisième mode de réalisation, les moyens de chauffage comprennent au moins un transducteur électro-thermique apte à chauffer localement la gaine hydrodynamique. Avantageusement, le dispositif microfluidique comprend un module thermoélectrique apte à modifier la température soit du dispositif microfluidique en entier soit du fluide échantillon et/ou du au moins un de fluide de gaine en amont des moyens de chauffage. Avantageusement, le au moins un fluide de gaine présente à une température de 20°C une viscosité comprise entre 2 mPa.s et 30 000 mPa.s et une variation thermique de viscosité comprise entre 0,2 mPa.s K -1 et 3 000 mPa.s K -1 . Par exemple, le au moins un fluide de gaine comprend du propylène glycol, de l’huile de lin, ou un mélange contenant de l’eau et du glycérol, ou un mélange d’eau et de glucides. Avantageusement, les au moins deux canaux de sortie comprennent un premier canal de sortie et un deuxième canal de sortie disposés ou configurés de manière symétrique par rapport au canal commun. En variante, le premier canal de sortie et le deuxième canal de sortie sont disposés ou configurés de manière dissymétrique par rapport au canal commun. Avantageusement, le au moins un fluide de gaine comprend des particules, par exemple métalliques, par exemple en or ou en indium, aptes à absorber le faisceau laser focalisé pour le transformer en chaleur. La source laser fonctionne en mode impulsion à la demande ou fonctionnant à une fréquence de répétition inférieure ou égale à 100 kHz. La présente divulgation concerne aussi un système microfluidique comprenant un dispositif microfluidique et comprenant un module de détection disposé en amont des moyens de chauffage, le module de détection étant configuré pour détecter au moins un signal représentatif d’une nanoparticule dans le fluide échantillon focalisé hydrodynamiquement dans le canal commun et des moyens de rétroaction sur les moyens de chauffage en fonction du signal détecté. La présente divulgation concerne aussi un procédé de manipulation microfluidique comprenant les étapes suivantes : (a) injecter un fluide échantillon dans un canal commun d’un dispositif microfluidique ; (b) injecter au moins un fluide de gaine dans le canal commun pour permettre une focalisation hydrodynamique du fluide échantillon dans le canal commun ; (c) appliquer une source d’énergie sur une durée brève à au moins un transducteur apte à transmettre une quantité de chaleur localisée dans le au moins un fluide de gaine dans le canal commun en amont d’un embranchement entre lesdits au moins deux canaux de sortie, les moyens de chauffage étant aptes à chauffer localement ledit au moins un flux de fluide de gaine dans le canal commun et le au moins un fluide de gaine présentant une variation thermique de viscosité adaptée pour dévier ou extraire une portion du fluide échantillon sélectivement vers un canal de sortie déterminé parmi les au moins deux canaux de sortie. Avantageusement, l’étape c) comprend une séquence temporelle d’étapes c1) et c2), un délai entre l’étape c1) et l’étape c2) étant ajusté de façon à contrôler le volume de la portion du fluide échantillon extraite, dans lequel l’étape c1) comprend appliquer la source d’énergie sur une durée brève à un premier transducteur disposé sur un côté du canal commun de façon à transmettre audit au moins un fluide de gaine dans le canal commun une première quantité de chaleur localisée et dans lequel l’étape c2) comprend appliquer la source d’énergie sur une autre durée brève à un deuxième transducteur disposé sur un autre côté du canal commun par rapport à un axe longitudinal du canal commun de façon à transmettre audit au moins un fluide de gaine dans le canal commun une deuxième quantité de chaleur localisée. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où : est une vue de dessus de la partie centrale d’une puce microfluidique selon un mode de réalisation, est une vue de dessus d’une puce microfluidique selon un mode de réalisation, est une vue suivant une coupe AA de la partie centrale de la puce microfluidique représentée sur la , est une vue schématique d’un système microfluidique selon un mode de réalisation, est une vue de dessus d’une puce microfluidique selon un mode de réalisation à 2 canaux de sortie, avec injection d’un fluide échantillon et injection symétrique du fluide de gaine ; est une vue suivant une coupe BB de la partie centrale de la puce microfluidique représentée sur la ; est une vue de dessus d’une puce microfluidique selon un mode de réalisation à 3 canaux de sortie, avec injection symétrique du fluide de gaine ; est une vue de dessus d’une puce microfluidique selon un mode de réalisation à 2 canaux de sortie, avec injection dissymétrique du fluide de gaine ; est une vue de dessus d’une puce microfluidique lors de l’application d’une impulsion laser sur au moins une zone de chauffage selon un exemple ; est une simulation en vue de dessus d’une puce microfluidique lors de l’application d’une séquence alternée d’impulsions laser sur deux zones de chauffage ; est une simulation des débits de flux transmis dans deux canaux de sortie lors de l’application d’une séquence alternée d’impulsions laser sur deux zones de chauffage ; représente schématiquement une séquence pour extraire une portion de fluide échantillon vers une sortie déterminée ; est une vue en coupe d’une puce microfluidique selon un autre mode de réalisation, à symétrie de révolution. Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références. Dispositif microfluidique (100) comprenant au moins un canal d’entrée (1, 2) de fluide de gaine et un canal d’entrée (3) de fluide échantillon, au moins deux canaux de sortie (11, 12, 13) et un canal commun (4) disposé entre lesdits canaux d’entrée (1, 2, 3) et lesdits canaux de sortie (11, 12, 13), le canal commun (4) étant relié fluidiquement auxdits canaux d’entrée et de sortie (1, 2, 3, 11, 12, 13), le canal d’entrée (3) de fluide échantillon étant apte à injecter un fluide échantillon (20) dans le canal commun (4), le au moins un canal d’entrée (1, 2) de fluide de gaine étant apte à injecter au moins un fluide de gaine (21, 22) dans le canal commun (4) de façon à permettre une focalisation hydrodynamique du fluide échantillon (20) dans le canal commun (4), le canal commun (4) étant configuré pour conduire le fluide échantillon (20) focalisé hydrodynamiquement et le au moins un fluide de gaine (21, 22) en direction desdits au moins deux canaux de sortie (11, 12, 13), caractérisé en ce que le dispositif microfluidique comporte des moyens de chauffage comprenant une source d’énergie (40) et au moins un transducteur, les moyens de chauffage étant disposés pour transmettre sur une durée brève une quantité de chaleur localisée dans ledit au moins un flux de fluide de gaine (21, 22) dans le canal commun (4) en amont d’un embranchement entre lesdits au moins deux canaux de sortie (11, 12, 13), les moyens de chauffage étant aptes à chauffer localement ledit au moins un flux de fluide de gaine (21, 22) dans le canal commun (4) et en ce que ledit au moins un fluide de gaine présente une variation thermique de viscosité adaptée pour dévier ou extraire une portion (120, 130, 220) du fluide échantillon sélectivement vers un canal de sortie déterminé parmi les au moins deux canaux de sortie (11, 12, 13). Dispositif microfluidique (100) selon la revendication 1 dans lequel le au moins un canal d’entrée (1, 2) de fluide de gaine comprend un premier canal d’entrée (1) et un deuxième canal d’entrée (2), le premier canal d’entrée (1) étant apte à injecter un premier fluide de gaine (21) et le deuxième canal d’entrée (2) étant apte à injecter un deuxième fluide de gaine (22). Dispositif microfluidique (100) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les moyens de chauffage comprennent au moins un transducteur (31, 32) photo-thermique et la source d’énergie comprend une source laser configurée pour générer un faisceau laser (41, 42) focalisé sur ledit au moins un transducteur (31, 32) photo-thermique, ledit au moins un transducteur (31, 32) photo-thermique étant apte à absorber le faisceau laser (41, 42) et à transmettre la chaleur induite par le faisceau laser (41, 42) audit au moins un flux de fluide de gaine (21, 22) par conduction. Dispositif microfluidique (100) selon les revendications 2 et 3 dans lequel ledit au moins un transducteur (31, 32) photo-thermique comprend au moins un premier transducteur (31) photo-thermique et au moins un deuxième transducteur (32) photo-thermique, ledit au moins un premier transducteur photo-thermique (31) et, respectivement, ledit au moins un deuxième transducteur photo-thermique (32) étant aptes à absorber séquentiellement le faisceau laser (41, 42), de façon à modifier le débit du premier fluide de gaine (21) et, respectivement, du deuxième fluide de gaine (22) pour extraire ladite portion (130) du fluide échantillon. Dispositif microfluidique (100) selon la revendication 4 dans lequel ledit au moins un premier transducteur photo-thermique (31) comprend une pluralité de transducteurs photo-thermiques disposés sur un côté du canal commun (4) et/ou dans lequel ledit au moins un deuxième transducteur photo-thermique (32) comprend une pluralité de transducteurs photo-thermiques disposés sur un autre côté du canal commun (4) par rapport à un axe longitudinal (14) du canal commun. Dispositif microfluidique (100) selon l’une des revendications 3 à 5 dans lequel les moyens de chauffage comprennent au moins un troisième transducteur (33) photo-thermique disposé sur un côté du premier canal de sortie et/ou au moins une quatrième transducteur (34) photo-thermique disposé sur un côté du deuxième canal de sortie (12). Dispositif microfluidique (100) selon l’une des revendications 1 à 6 dans lequel les moyens de chauffage comprennent une source laser configurée pour générer un faisceau laser focalisé dans la gaine hydrodynamique à l’intérieur du canal commun (4) et dans lequel le fluide de gaine est apte à absorber le faisceau laser pour le transformer en chaleur. Dispositif microfluidique (100) selon l’une des revendication 3 à 7 dans lequel la source laser est adaptée pour émettre une impulsion laser (41, 42) ayant une énergie comprise entre 10 nJ et 10µJ sur la durée brève inférieure ou égale à 50 µs. Dispositif microfluidique (100) selon l’une des revendications 1 à 8 dans lequel les moyens de chauffage comprennent au moins un transducteur (31, 32) électro-thermique apte à chauffer localement la gaine hydrodynamique. Dispositif microfluidique (100) selon l’une des revendications 1 à 9 comprenant en outre un module thermoélectrique apte à modifier la température soit du dispositif microfluidique (100) en entier soit du fluide échantillon (20) et/ou du au moins un de fluide de gaine (21, 22) en amont des moyens de chauffage. Dispositif microfluidique (100) selon l’une des revendications 1 à 10 dans lequel le au moins un fluide de gaine (21, 22) présente à une température de 20°C une viscosité comprise entre 2 mPa.s et 30 000 mPa.s et une variation thermique de viscosité comprise entre 0,2 mPa.s K -1 et 3 000 mPa.s K -1 . Dispositif microfluidique (100) selon la revendication 11 dans lequel le au moins un fluide de gaine (21, 22) comprend du propylène glycol, de l’huile de lin, ou un mélange contenant de l’eau et du glycérol, ou un mélange d’eau et de glucides. Système microfluidique (200) comprenant un dispositif microfluidique (100) selon l’une des revendications 1 à 12 et comprenant un module de détection (50) disposé en amont des moyens de chauffage, le module de détection (50) étant configuré pour détecter au moins un signal représentatif d’une nanoparticule dans le fluide échantillon (20) focalisé hydrodynamiquement dans le canal commun (4) et des moyens de rétroaction sur les moyens de chauffage en fonction du signal détecté. Procédé de manipulation microfluidique comprenant les étapes suivantes : (a) injecter un fluide échantillon (20) dans un canal commun (4) d’un dispositif microfluidique ; (b) injecter au moins un fluide de gaine (21, 22) dans le canal commun (4) pour permettre une focalisation hydrodynamique du fluide échantillon (20) dans le canal commun (4) ; (c) appliquer une source d’énergie sur une durée brève à au moins un transducteur (31, 32) apte à transmettre une quantité de chaleur localisée dans le au moins un fluide de gaine (21, 22) dans le canal commun (4) en amont d’un embranchement entre lesdits au moins deux canaux de sortie (11, 12, 13), les moyens de chauffage étant aptes à chauffer localement ledit au moins un flux de fluide de gaine (21, 22) dans le canal commun (4) et le au moins un fluide de gaine (21, 22) présentant une variation thermique de viscosité adaptée pour dévier ou extraire une portion (120, 130, 220) du fluide échantillon sélectivement vers un canal de sortie déterminé parmi les au moins deux canaux de sortie (11, 12, 13). Procédé de manipulation microfluidique selon la revendication 14 dans lequel l’étape c) comprend une séquence temporelle d’étapes c1) et c2), un délai entre l’étape c1) et l’étape c2) étant ajusté de façon à contrôler le volume de la portion (130) du fluide échantillon extraite, dans lequel l’étape c1) comprend appliquer la source d’énergie sur une durée brève à un premier transducteur (31) disposé sur un côté du canal commun (4) de façon à transmettre audit au moins un fluide de gaine (21) dans le canal commun (4) une première quantité de chaleur localisée et dans lequel l’étape c2) comprend appliquer la source d’énergie sur une autre durée brève à un deuxième transducteur (32) disposé sur un autre côté du canal commun (4) par rapport à un axe longitudinal (14) du canal commun de façon à transmettre audit au moins un fluide de gaine dans le canal commun (4) une deuxième quantité de chaleur localisée.