Une approche microfluidique largement utilisée pour créer des émulsions repose sur la production de gouttelettes d'un fluide dispersé dans un autre fluide immiscible (principalement des huiles), à des fréquences de l'ordre d'une à des milliers de gouttelettes par seconde. La microfluidique à base de gouttelettes utilise l'interaction entre la tension interfaciale et la force de cisaillement fluidique pour fragmenter les fluides continus en segments de taille uniforme au sein d'un microcanal. Pour cette raison, la viscosité de l'huile peut avoir un impact critique sur plusieurs paramètres tels que l'émulsion eau-dans-huile, et plus précisément sur la taille des gouttelettes et le taux de génération de gouttelettes.
Avec l'émergence de la microfluidique, le marché des huiles dédiées à ce domaine a considérablement augmenté. L'objectif de cette revue est de catégoriser les huiles rencontrées en microfluidique selon leurs différentes caractéristiques physico-chimiques et leur impact sur les paramètres des gouttelettes.
Qu'est-ce qu'un surfactant ?
La microfluidique est un processus qui génère des milliers de gouttes par seconde, via une puce dans laquelle deux fluides immiscibles circulent dans un réseau de microcanaux, formant une émulsion. Pour stabiliser ces gouttelettes, il est nécessaire d'ajouter un surfactant. Un surfactant est un composé amphiphile qui abaisse la tension superficielle. Il s'adsorbe naturellement aux interfaces car il est composé d'une partie hydrophile et d'une partie hydrophobe. Dans ce contexte, il est nécessaire de trouver des huiles compatibles avec le surfactant et qui soient compatibles avec le matériau utilisé (par exemple, les cellules).
Les différents types d'huiles
Typiquement, les huiles minérales ont été utilisées avec des cellules. Par exemple, en se concentrant sur les mécanismes d'encapsulation [Chaber M et Viovy JL. 2008 Proc Natl Acad Sci ; Um E et al. 2010 Apll Phys Lett], et aussi comme système d'émulsification double de bactéries pour le criblage avec des temps d'incubation de quelques minutes et limités à environ 2 heures [Aharoni et al. 2005 Chem Biol]. Parmi les huiles minérales, on trouve les huiles hydrocarbonées. Elles sont donc limitées aux applications telles que la PCR où les objets d'intérêt (les fragments d'ADN ou d'ARN) n'échangent pas entre les gouttelettes. Les huiles fluorées sont les seuls exemples où la survie et la prolifération cellulaire ont été démontrées avec une incubation à long terme d'organismes [Schmitz CHJ et al. 2009 Lab Chip] où les échanges gazeux deviennent cruciaux. Le choix des huiles fluorées est principalement guidé par deux points : premièrement, elles sont attrayantes car la plupart des composés organiques sont insolubles dans ces huiles. Les composés encapsulés dans la gouttelette ne devraient pas subir de partition de phase et donc rester dans la gouttelette, ce qui résout les limitations d'échange des huiles organiques et de silicone. Le deuxième avantage des huiles fluorées est leur biocompatibilité [Baret C. 2012 Lab Chip]. De plus, les huiles fluorées sont capables de solubiliser les gaz, ce qui est essentiel pour la viabilité cellulaire. Dans une moindre mesure, il est possible d'utiliser des huiles de silicone, mais l'incompatibilité avec le PDMS signifie qu'elles restent très peu utilisées en microfluidique.Quelle application pour quelle huile ?
Dans les tableaux suivants, vous trouverez les huiles requises pour chaque application et les surfactants associés. Ces tableaux ont été extraits de Baret 2012 Lab Chip.Huile de silicone
| Surfactant | DC200 | PDMS | AR20 |
| Triton X-100 | PCR (mélange d'huiles complexe) | ||
| SDS (dans l'eau) | Émulsification huile dans eau | ||
| ABIL EM90 | Évolution dirigée | ||
| Sans surfactant | Stockage de composés chimiques Émulsification | Mesure Raman |
Huile d'hydrocarbure
| Surfactant | Hexadécane | Tétra/octa/dodécane | Huile minérale | Isopar M | Végétal / organique |
| Span 80 | Émulsification Coalescence Scission de gouttelettes Instabilités interfaciales Manipulation laser Électrocoalescence Tri de gouttelettes | Émulsification Motifs de gouttelettes Couplage chimique | Expression protéique Motifs de gouttelettes Échange moléculaire Encapsulation cellulaire Réactions chimiques Émulsification assistée électriquement Émulsification par électromouillage | Émulsification Appariement de gouttelettes Électrocoalescence | |
| Monoléine Acide oléique | Écoulement en pointe | Bicouches (squalane) | |||
| Tween 20/80 | Tension de surface dynamique Émulsification | ||||
| Synperonic PEF C12E8 | Tension de surface dynamique | Écoulement en pointe | |||
| SDS | Tension de surface dynamique Émulsification | ||||
| n-butanol | Rhéologie interfaciale | ||||
| ABIL EM90 | PCR en gouttelette Évolution dirigée | ||||
| Phospholipide | Bicouche lipidique | ||||
| Sans surfactant | Hydrodynamique des gouttelettes PCR en gouttelettes | Hydrodynamique des gouttelettes (huile de tournesol) |
Huile fluorée
| Surfactant | PFH/PFC/PFD/PFPH | Huile porteuse (Raindance Technologies) | HFE/Novec | FC40 | FC70/FC77 | FC3283 |
| PF-octanol | Cinétique de réaction Cristallisation des protéines | microPIV | Criblage de composés Tri cellulaire | Cristallisation des protéines | ||
| PF-décanol Acide PF-TD | PCR en gouttelette | Adsorption des protéines | ||||
| PF-TD OEG | Adsorption des protéines Chemistrode | |||||
| PFPE- COOH | Séparation des gouttelettes Détection des gouttelettes | Électrocoalescence | ||||
| PFPE- COONH4 | Cellules en gouttelette | Émulsion multiple | Cellules en gouttelettes Hydrodynamique des gouttelettes Réaction chimique | |||
| PFPE-PEG | Cellules en gouttelette PCR Diagnostic | Évolution dirigée Pico-injecteur PCR et diagnostics Amplification d'ADN Tri de micro-organismes Levures en gouttelettes | Cellules en gouttelettes Dropspot Coalescence Gradients chimiques Séparation de gouttelettes Électrocoalescence | Échange moléculaire Gradients chimiques | ||
| PFPE-DMP | Cellules en gouttelettes Coalescence | Bactéries dans les gouttelettes | ||||
| Chaînes courtes | Tension de surface et émulsification | |||||
| Sans surfactant | Bactéries/antibiotiques | |||||
| FluoSurf | Cellules en gouttelette PCR Diagnostic | Génération de gouttelettes eau dans huile Encapsulation Billes d'alginate/polyacrylate/agarose/époxy Culture cellulaire 3D en gouttelettes PCR et diagnostics ADN Analyse unicellulaire Tri cellulaire | Génération de gouttelettes eau dans huile Encapsulation Billes d'alginate/polyacrylate/agarose/époxy Culture cellulaire 3D en gouttelettes PCR et diagnostics ADN Analyse unicellulaire Tri cellulaire |
Compatibilité entre les huiles et les matériaux de puce
Le choix de l'huile en fonction du matériau du dispositif microfluidique est également un paramètre à ne pas négliger. En effet, l'huile est en contact étroit avec les parois des canaux et une réaction chimique entre eux pourrait être critique pour le résultat final attendu (par exemple, la formation de gouttelettes d'une taille précise). Ainsi, le changement de matériau pour le système microfluidique nécessite également un changement de l'huile utilisée. En effet, il est impératif que l'huile mouille correctement les parois afin de former des gouttelettes d'eau dans l'huile et non des gouttelettes d'huile dans l'eau. Cette courte section vous permettra donc de choisir la bonne huile pour les matériaux utilisés dans la fabrication de vos dispositifs microfluidiques.Huiles fluorées
Le choix le plus simple reste celui des huiles fluorées, car elles sont compatibles avec la plupart des métaux, plastiques et élastomères, dont le plus connu est le FC 40. Elles sont également fortement recommandées dans les dispositifs en Téflon/PEEK, notamment pour les applications de nucléation de gouttelettes afin de se rapprocher d'une nucléation homogène [Ildefonso et al. 2013 J. Am. Chem. Soc.]. Dans ce cas, il s'agira d'utiliser une huile fluorée de type FMS.Huiles silicones
Bien entendu, les huiles de silicone sont fortement recommandées pour les dispositifs microfluidiques en silicone. Elles sont également compatibles avec le PDMS ou un nouveau matériau appelé COC (copolymère d'oléfine cyclique).Huiles minérales
Concernant les huiles minérales, très peu d'informations sont disponibles concernant leur compatibilité avec les matériaux des dispositifs microfluidiques. Cependant, il a été rapporté que ces huiles peuvent être utilisées efficacement avec des dispositifs fabriqués en polycarbonate (PC).Exemples de l'influence de l'huile sur les paramètres des gouttelettes
Impact de la viscosité de l'huile sur la taille des gouttelettes
Dans Yao et al. 2019, ils ont utilisé de l'eau déionisée avec un colorant rouge et de l'huile minérale (Zhanhong Chemical Industry, Guangzhou, Chine) mélangée à un surfactant (Span-80, 7,5 g/L, Sigma-Aldrich, St. Louis, MI, USA) comme phase dispersée et continue, respectivement. Quatre viscosités différentes (5, 7, 10 et 15 cSt) des huiles minérales ont été testées pour étudier comment les différentes viscosités de la phase continue affectent la taille des gouttelettes et le taux de génération de gouttelettes dans une émulsion eau-dans-huile. Comme le montrent la Figure 2 et le Tableau 4, la taille des gouttelettes diminuait à mesure que la viscosité de l'huile augmentait.| Pw :Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
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30 :40 60 :80 90 :120 120 :160 150 :200 |
68.3 ± 2.0 43.6 ± 2.1 37.1 ± 1.8 34.0 ± 1.9 32.1 ± 1.0 |
57.0 ± 1.7 39.5 ± 1.8 33.4 ± 2.0 30.7 ± 0.9 29.1 ± 1.1 |
51.0 ± 1.7 35.5 ± 1.7 31.0 ± 1.0 28.1 ± 1.0 26.9 ± 1.1 |
46.3 ± 1.8 32.2 ± 0.9 28.9 ± 0.9 26.0 ± 1.1 25.1 ± 1.3 |
Tableau 4 : Diamètre moyen des gouttelettes avec différentes viscosités d'huile et pressions d'écoulement (µm) extrait de Yao et al. 2019 Micromachine
Impact de la viscosité de l'huile sur le taux de génération de gouttelettes
Comme le montrent le tableau 5 et la Figure 3, Yao et al. (2019) ont démontré que le nombre de gouttelettes générées par unité de temps diminuait à mesure qu'une huile plus visqueuse était utilisée dans toutes les conditions de pression d'écoulement testées, où de fortes corrélations linéaires ont été observées (R2 > 0,99 pour toutes les conditions de pression d'écoulement).| Pw :Po (mbar) | 5 cSt | 7 cSt | 10 cSt | 15 cSt |
|
30 :40 60 :80 90 :120 120 :160 150 :200 |
76 ± 1 157 ± 0 239 ± 8 275 ± 3 581 ± 12 |
66 ± 1 126 ± 2 215 ± 6 334 ± 6 499 ± 12 |
54 ± 1 107 ± 3 182 ± 6 283 ± 3 411 ± 12 |
45 ± 0 93 ± 2 149 ± 1 223 ± 3 305 ± 8 |
Tableau 4 : Taux moyen de génération de gouttelettes avec différentes viscosités d'huile et pressions d'écoulement (µm) extrait de Yao et al. 2019 Micromachine.
Conclusion
Le choix de l'huile dépendra essentiellement de votre application. Cependant, d'autres paramètres doivent être pris en compte, tels que la compatibilité huile-surfactant et huile-matériau. Étant donné que les paramètres physiques de la phase continue peuvent influencer le résultat attendu, il est important de considérer, par exemple, la viscosité de l'huile.
