Brevet FR3126629A1 — publié le 20230310

Procédé de dilution, mélange et livraison des fluides et dispositif pour le contrôle des réactions chimiques et biochimiques sur un système microfluidique. L’invention concerne un procédé de dilution ou mélange de fluides composé d’une chambre de mélange microfluidique (101) comprenant au moins un canal microfluidique pour l’injection de liquides (102), au moins un canal microfluidique pour l’injection de gaz (103), au moins un canal microfluidique permettant l’évacuation du mélange (107) effectué grâce à au moins un élément magnétique (106) situé dans la chambre de mélange, ainsi qu’au moins un port d’aération (108) permettant la pressurisation de la chambre au moyen d’un capteur de pression (109) et d’une vanne (110). Le dispositif selon l’invention est particulièrement destiné à la réalisation de réactions chimiques et biochimiques dont le produit de réaction peut être injecté dans un système microfluidique. Figure à publier pour l’abrégé : Figure 1A Procédé de dilution, mélange et livraison des fluides et dispositif pour le contrôle des réactions chimiques et biochimiques sur un système microfluidique L’invention propose un procédé de dilution ou mélange des fluides injectés séquentiellement sous atmosphère contrôlée. Selon l’invention, le procédé comprend: Une injection d’un volume contrôlé d’au moins un liquide à l’intérieur d’au moins une chambre au moyen d’au moins un contrôleur de pression couplé à au moins une vanne de sélection, ladite injection se fait par au moins une entrée de liquide dans ladite au moins une chambre. Au moins un réacteur comprenant ladite au moins une chambre avec au moins une entrée pour les fluides ou au moins deux entrées, au moins une pour les liquides et au moins une pour les gaz. Ladite au moins une chambre peut être pressurisée et les liquides dans ladite au moins une chambre agités avec au moins un objet magnétique tournant pour permettre une dilution, une mélange ou une réaction chimique ou biochimique. Une augmentation de pression accomplie par l'introduction de fluides par ladite au moins une entrée dans ledit au moins un réacteur jusqu’à atteindre une pression contrôlée et définie inférieure ou égale à 10 bar, ladite pression produisant un déplacement à débit contrôlé du volume de liquide présent dans le réacteur par au moins une sortie du fluide régulé par au moins une vanne reliant ledit volume de liquide et l’extérieur dudit réacteur. Une réduction de pression dans ledit au moins un réacteur jusqu’à atteindre une pression contrôlée et définie inférieure ou égale à 10 bar, ladite réduction de pression accomplie par au moins une soupape d'aération et permettant l'introduction d'un nouveau fluide sans produire de déplacement du volume présent dans le réacteur par ladite au moins une sortie du fluide reliant ledit volume de liquide et l’extérieur dudit réacteur. Le procédé selon l’invention permet de créer un système basé sur l’injection séquentielle de liquides dans un réacteur secondaire potentiellement pressurisé. Ce système est utilisé non seulement pour réaliser des mélanges de liquides mais aussi pour déplacer un fluide, créer des dilutions contrôlées d'une substance donnée, réaliser des réactions chimiques sous atmosphère contrôlée et enrichir le mélange avec des gaz en utilisant le principe de l’agitation magnétique dans un réservoir pressurisé. Avantageusement, le procédé selon l’invention permet de réaliser des réactions chimiques et biochimiques impliquant des volumes finis de réactifs sous atmosphère et pression contrôlées dans un environnement totalement isolé. Dans l’invention, de nombreux gaz peuvent être utilisés comme par exemple de l’azote, de l’oxygène ou du dioxyde de carbone. Dans une variante, un volume de liquide plus grand que le réacteur peut être entièrement poussé dans le réacteur séquentiellement ou en continu en utilisant un gaz pour enrichir le liquide en gaz. L'invention concerne également un dispositif mettant en œuvre le procédé décrit précédemment où ledit déplacement dudit volume de liquide par ladite au moins une sortie de fluide reliant ledit volume et l’extérieur dudit au moins un réacteur se fait vers un dispositif microfluidique où le flux redevient laminaire. Dans une variante, la réaction se fait séparée et en parallèle au moins un flux principal laminaire de liquide. Dans ce cas, ladite au moins une sortie de fluide se fait vers ledit au moins un flux principal laminaire de liquide. L’invention s’adapte à tout type de gaz et de liquide et la thermalisation du réacteur est possible si nécessaire. L’invention concerne le domaine des mélanges et des dilutions des fluides pour des procédés chimiques et biochimiques dans des systèmes microfluidiques. En particulier, l’invention concerne l’injection séquentielle automatisée de différents réactifs dans une chambre de réaction pressurisée comprenant un barreau aimanté. Plus particulièrement, l’invention concerne la possibilité d’effectuer des réactions chimiques avec des volumes de réactifs précis sous atmosphère contrôlée avec une possibilité de contrôle de température également. Les réactions chimiques trouvent de nombreuses applications, que ce soit en pharmacologie pour la synthèse de médicaments, en biochimie pour comprendre l’origine de la vie, en médecine personnalisée pour développer de nouveaux traitements médicaux ou en analyse pour identifier des pathogènes ou réaliser des séquençages d’ADN et d’ARN. De nombreux paramètres dont l’ordre des réactifs, le temps de mélange, la température et la stœchiométrie entre autres sont contrôlés lors des réactions chimiques pour augmenter le rendement, la pureté ou encore la monodispersité du produit. L’utilisation de la microfluidique par rapport aux méthodes conventionnelles en chimie et biochimie, à savoir le mélange et la réaction dans des chambres reliées et alimentées par des microcanaux caractérisés par des volumes fluidiques compris entre 1 pL et 10 mL, permet d’augmenter le rapport surface sur volume, ce qui facilite les transferts de masse et de chaleur, augmentant ainsi le rendement et la rapidité des réactions. Les diagnostics et analyses sont donc accélérés. La microfluidique permet également de paralléliser les tests et d’augmenter ainsi massivement le nombre de réactions. De plus, les volumes de réactifs utilisés sont plus faibles, permettant de rendre les procédés plus verts, plus sûrs et de diminuer les coûts. Mais malgré les nombreux avantages de la microfluidique, les réactions chimiques et biochimiques en continu ne sont pas encore pleinement optimisées à petite échelle. La compatibilité chimique entre les solvants et les matériaux est encore un véritable défi. Il est aussi difficile de faire des réactions sous atmosphère contrôlée ou de faire des mélanges liquide/gaz ou gaz/gaz. Les problèmes liés au transport de bulles indésirables dans les microcanaux sont également courants dans certaines méthodes. De plus, le mélange et la dilution des réactifs reste un défi de taille, le flux laminaire présent dans les systèmes microfluidiques ne facilitant pas cette étape. D'autre part, de nombreuses réactions doivent être effectuées avec un ensemble séquentiel contrôlé de conditions, y compris l'ajout de réactifs infimes, ce qui ajoute des défis lorsque l'on vise à obtenir des réactions à l'échelle microfluidique. En microfluidique, deux techniques de mélange sont utilisées afin d’améliorer le mélange de solutions (Lee C.-Y. et al, Microfluidic Mixing: A Review, Int J Mol Sci, 2011; 12(5): 3263-3287). D’un côté, des techniques de mélange passif (Lee C.-Y. et al. Passive mixers in microfluidic systems: A review. Chemical Engineering Journal, vol. 288, 2016, pages 146 à 160, ISSN 1385-8947) basées sur des géométries particulières des puces microfluidiques (jonction en T ou Y, canaux en serpentin ou 3D) permettent de créer des turbulences dans le flux et ainsi ne pas laisser uniquement la diffusion mélanger les réactifs. Cependant, ces techniques passives manquent d’efficacité car le mélange uniforme de la solution n’est pas atteint instantanément. De l’autre, des techniques de mélange actif permettent d’améliorer l'efficacité du mélange en utilisant des forces externes (acoustiques, magnétiques ou thermiques). Un mélange uniforme est alors instantanément obtenu. Semenov décrit dans sa publication un microréacteur de volume interne 250 µL, activé par champ magnétique, fabriqué en polydiméthylsiloxane (PDMS) et en verre, pour le mélange de solutions (Semenov, S. et al, Nature, 537, 656–660, 2016). Le microréacteur comporte 3 entrées de liquide pour l’injection de 3 solutions différentes et a un volume interne de 250 µL. L’injection des fluides dans le microréacteur est contrôlée par des pousses seringues. Ce système possède également un canal thermostaté pour le contrôle en température du microréacteur. Ce système permet donc de mélanger trois solutions différentes de manière homogène et instantanée et de faire des réactions chimiques dans un environnement thermostaté. Cependant, ce système n’est pas sans inconvénients. Les réactions chimiques sont limitées à 3 réactifs uniquement ce qui réduit drastiquement la flexibilité du système. Le PDMS, matériau utilisé très largement en microfluidique pour la fabrication des puces, a une résistance limitée aux solutions chimiques et absorbe les molécules ce qui modifie la stoechiométrie des réactions. De plus, ce matériau est perméable au dioxygène et des réactions chimiques sous atmosphère contrôlée ne sont donc pas possible. De plus, aucun enrichissement en gaz des solutions n’est possible. Finalement, un mélange à volume constant pendant plusieurs minutes n’est pas possible. Enfin, le système n’est pas optimisé pour effectuer des réactions chimiques différentes dans le même microréacteur sans risque de contamination croisée. La demande de brevet US6572255B2 (BECKMAN COULTER INC) décrit un réacteur et son système fluidique pour mélanger des liquides de façon contrôlée et délivrer des solutions diluées. Le mélange s’effectue par la méthode de la recirculation. La chambre de mélange comprend deux entrées de liquide dans sa partie supérieure et une sortie et entrée dans sa partie inférieure, permettant la mise en place de la boucle de recirculation. La chambre est munie d’une ventilation protégée par un filtre pour éviter toute contamination du milieu. Cette chambre est équipée d’un système de chauffage de la solution ainsi que d’un capteur de température pour vérifier la température du mélange. De plus, un capteur de concentration (ici un capteur conductimétrique) est présent pour connaître la concentration du mélange. Enfin, un capteur de niveau est intégré pour éviter de faire déborder la chambre et d’avoir des retours dans le circuit d’entrée. Le déplacement de la solution est contrôlé par un système de vannes et de pompes. Malgré tous les avantages de ce système, le fait d’utiliser une boucle de recirculation augmente le volume mort présent dans le système fluidique. Cette méthode n’est donc pas optimale pour travailler avec des petits volumes de réactifs ou bien si un mélange uniforme et instantané est nécessaire. De plus, il n’est pas possible d’effectuer la réaction sous atmosphère contrôlée, en limitant les réactions chimiques pouvant être effectuées, la ventilation fonctionnant uniquement de manière passive vers l’extérieur. Enfin, ce système manque de flexibilité car il n’est possible d’injecter que deux solutions. Il existe donc un besoin d’un réacteur pour réaliser des réactions chimiques et biochimiques dans un système permettant d’injecter séquentiellement des réactifs de façon contrôlée et automatisée en diminuant les volumes utilisés. La résistance chimique des matériaux du système, ainsi que leur inertie est primordiale pour ne pas interférer dans les réactions. De plus, il existe un besoin de réaliser ces réactions sous atmosphère contrôlée ou d’avoir la possibilité de mélanger des gaz avec des liquides ou bien des gaz ensemble. Avant d'expliquer en détail au moins un mode de réalisation de l'invention, il doit être compris que l'invention n'est pas limitée dans son application aux détails de construction et aux agencements des composants énoncés dans la description suivante ou illustrés sur les dessins. L'invention est susceptible de présenter des réalisations supplémentaires par rapport à celles décrites et d'être pratiquée et exécutée de diverses manières. Par exemple, tous les éléments des modes de réalisation décrits ne sont pas nécessaires pour obtenir au moins l'un des avantages décrits ici. En outre, il doit être compris que la phraséologie et la terminologie employées ici, ainsi que l'abrégé, sont à des fins de description et ne doit pas être considéré comme limitatif. Ainsi, l'homme du métier appréciera que la conception sur laquelle cette description est basée peut être facilement utilisée comme base pour la conception d'autres structures, procédés et systèmes pour réaliser les différents objectifs de la présente invention. Il est donc important que les revendications soient considérées comme incluant de telles constructions équivalentes dans la mesure où elles ne s'écartent pas de l'esprit et de la portée de la présente invention. Description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaissent plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif et non limitatif en relation avec les figures, parmi lesquelles: présente un schéma d'un exemple d'une chambre de dilution, de mélange ou de réaction mettant en œuvre le procédé selon l'invention dans le cas que les dilutions, mélanges ou réactions se déroulent instantanément sous flux continu; présente un schéma d'un exemple d'une chambre de dilution, de mélange ou de réaction selon un autre mode de réalisation de l'invention en lien avec la dans laquelle la température de la dilution, du mélange ou de la réaction est également contrôlée dans la chambre; présente un schéma d'un exemple d'une chambre de dilution, de mélange ou de réaction mettant en œuvre le procédé selon l'invention dans le cas que les dilutions, mélanges ou réactions se déroulent dans la chambre sous contrôle de la séquence des temps, des pressions et des volumes injectés des différents fluides avant que le liquide résultant s'écoule vers l'extérieur de la chambre de manière contrôlée. présente un schéma d'un exemple d'une chambre de dilution, de mélange ou de réaction mettant en œuvre le procédé selon l'invention en lien avec la dans laquelle la température de la dilution, du mélange ou de la réaction est également contrôlée dans la chambre; présente un schéma d'un exemple d'une chambre de dilution, de mélange ou de réaction mettant en œuvre le procédé selon l'invention en lien avec la lorsqu'au moins un volume précis de la dilution, du mélange ou de la réaction séquentiellement préparé dans ladite chambre est introduit dans un flux continu de fluide d'une manière contrôlée; illustre un schéma en bloc d’un exemple de la structure du dispositif mettant en œuvre le procédé selon l'invention dans le cas où les dilutions, mélanges ou réactions se déroulent dans la chambre sous contrôle de la séquence des temps, des pressions et des volumes injectés des différents fluides avant que le liquide résultant s'écoule vers l'extérieur de la chambre de manière contrôlée par le même microcanal ou port utilisé pour introduire le liquide; Procédé de dilution ou mélange des fluides, caractérisé en ce qu' il comprend : une injection séquentielle d’au moins un volume d'un liquide (104) à travers au moins un canal microfluidique (102) jusqu’à l'intérieur d'une microchambre (101) contenant au moins un objet magnétique tournant commandé par au moins une unité externe induisant un champ magnétique générant un effet d'agitation (106) et une injection séquentielle d’au moins un volume contrôlé d'un gaz ou mélange de gaz à l'intérieur de ladite microchambre (101) à travers ledit au moins un canal microfluidique ou alternativement à travers au moins un canal microfluidique supplémentaire (103) et un contrôle dans ladite microchambre (101) de la pression et au moins une ouverture (107) permettant la sortie d’au moins un volume de dilution de mélange des fluides, ou de réactions chimiques ou biochimiques obtenu dans ladite microchambre. Procédé de dilution ou mélange des fluides selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrôle dans ladite microchambre de la pression est accompli par au moins un capteur de pression (109) dans ladite chambre (101) et au moins une soupape d'aération (108) contrôlée par au moins une vanne (110). Procédé de dilution ou mélange des fluides selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit au moins un objet magnétique est au moins un barreau aimanté. Procédé de dilution ou mélange des fluides selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un contrôle dans ladite microchambre de la température. Procédé de dilution ou mélange des fluides selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit au moins un gaz injecté est choisi parmi le O 2 , le CO 2 , ou le N 2 . Dispositif mettant en œuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 destiné à être utilisé pour le contrôle des mélanges, des réactions et dilutions chimiques et biochimiques ou le contrôle des réactions chimiques et biochimiques sur un système microfluidique présentant au moins un contrôleur de pression (236) ou de débit (221), au moins un capteur de débit pour le contrôle dudit volume injecté (2241), au moins un capteur de débit pour le contrôle du volume dudit mélange (2242), au moins une vanne (233) pour permettre la pressurisation ou la ventilation d’un réacteur (210) qui contient ladite microchambre, au moins une vanne pour passer du remplissage à la vidange de ladite microchambre (228), au moins une vanne de sélection (223) pour permettre l’injection d’au moins un réactif stocké dans au moins un réservoir (222). Le au moins un réactif (liquide ou gaz) est introduit dans ladite microchambre du réacteur (210) par au moins un canal microfluidique (225) puis le au moins un port de ladite microchambre (229) lorsque la vanne de distribution (228) est connectée au canal d’introduction et quand la au moins une vanne (233) reliée au au moins un port supérieur (231) est en position ventilation et permet l’évacuation du gaz vers l’extérieur. Le mélange est extrait de ladite microchambre du réacteur (210) par le au moins un canal microfluidique (226) en passant par le au moins un port de ladite microchambre (229) lorsque la au moins une vanne de distribution (228) est connectée au au moins un canal d’extraction et quand la au moins une vanne (233) reliée au au moins un port supérieur (231) est en position pressurisation. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un système de chauffage et/ou refroidissement externe qui permet de réguler la température au moins de ladite microchambre du réacteur (210) ou d’un des réservoirs (222, 227) et de la modifier lors de la réalisation d'un mélange, d'une dilution ou d'une réaction à l'intérieur de la microchambre.