Comment éviter les bulles d'air dans un dispositif microfluidique ?

Vous l'avez probablement tous constaté, la formation de bulles d'air en microfluidique est un phénomène très courant et peut, dans le pire des cas, ruiner totalement une expérience de plusieurs jours.

Dans d'autres cas, sans ruiner l'expérience, les bulles d'air peuvent influencer le résultat obtenu, ce qui peut être préjudiciable lors de la publication des résultats. Ces bulles apparaissent à différents moments : lors du chargement de la puce microfluidique, lors d'une intervention sur le même dispositif microfluidique, ou après une période de repos dans l'incubateur. Heureusement, il existe désormais des dispositifs qui permettent de manipuler votre puce tout en évitant les bulles d'air.

Dans cette synthèse, nous examinerons d'abord pourquoi ces bulles d'air se forment. Nous présenterons ensuite des astuces et des conseils pour les éviter, ainsi que des dispositifs qui garantiront l'absence de bulles dans votre dispositif microfluidique.

Pourquoi des bulles d'air apparaissent-elles ?

De nombreux paramètres doivent être pris en compte lorsqu'il s'agit d'utiliser la microfluidique comme outil principal pour les expériences scientifiques. En effet, une bulle d'air est susceptible de se former lorsqu'il y a de petites irrégularités de surface (noyaux de Harvey), connues sous le nom de « catalyseur », qui peuvent piéger quelques nanolitres d'air. Ces quelques nanolitres d'air peuvent être piégés à la seule condition que l'angle de contact du liquide instillé à cet endroit ait une faible mouillabilité. La taille de cette bulle variera si les conditions de température et de pression changent.

Le choix des matériaux, le type de fabrication et le revêtement seront décisifs dans l'apparition de bulles d'air. Ces choix seront encore plus importants si le dispositif microfluidique est fabriqué maison.

Malheureusement, ce n'est pas la seule façon de créer des bulles d'air dans le dispositif microfluidique. En effet, l'autre moyen est d'introduire la bulle d'air à l'intérieur du dispositif, non intentionnellement bien sûr, mais en intervenant sur sa puce. L'exemple le plus courant est l'apport d'une seconde solution (médicament, colorants, cellules,...) par raccordement de tube. Cette étape est critique, car l'oubli d'une bulle d'air dans le tube permettra son introduction et potentiellement sa migration vers une autre région du dispositif, ce qui endommagera l'expérience.

Des bulles d'air peuvent apparaître lors d'expériences microfluidiques si un ou plusieurs raccords fuient. Plusieurs utilisateurs ont également signalé que le PDMS, qui est un matériau poreux, peut introduire des bulles d'air à l'intérieur du dispositif microfluidique, en particulier lors d'expériences prolongées.

Enfin, un autre point critique est le gaz dissous. En effet, le gaz contenu sous forme gazeuse dans les liquides utilisés pendant l'expérience peut provoquer la formation de bulles d'air en cas de changement soudain de température et de pression.

Les changements de pression peuvent également provoquer la désorption d'un film d'air présent sur la paroi d'un microcanal.

💡 Conseils et astuces pour éviter les bulles d'air

• Lors de l'ajout d'un second liquide à la puce, laisser sa température s'équilibrer avec celle du premier liquide dans la puce. Une différence de température entre les deux liquides pourrait augmenter la taille des bulles préexistantes en raison des noyaux de Harvey.
• La présence de noyaux de Harvey est souvent observée lors de l'utilisation de PDMS pour la fabrication de dispositifs microfluidiques. L'une des façons d'éviter une faible mouillabilité de l'angle de contact du fluide avec la paroi est d'augmenter l'hydrophilie en utilisant un traitement plasma à l'oxygène, ou en fonctionnalisant la surface par l'ajout de groupes hydrophiles (traitement de surface).
• Vérifiez l'étanchéité du système entre les différentes parties de la puce, mais aussi de l'ensemble du dispositif (connecteurs, etc.). Comme vu dans l'article sur les volumes microfluidiques, les connecteurs sont des sources de volume mort mais aussi de bulles d'air. Pour vous assurer que l'étanchéité est correctement réalisée, vous pouvez utiliser des colles ou des résines époxy.
• Un autre point concernant les connecteurs est de réduire leur nombre au strict minimum nécessaire.

Dispositifs pour prévenir les bulles d'air dans vos puces microfluidiques

Si vous en avez assez de rater vos expériences microfluidiques à cause des bulles d'air, alors ces dispositifs sont faits pour vous ! Dans cette section, Darwin Microfluidics a sélectionné spécialement pour vous trois dispositifs pour limiter les bulles d'air.

Système de piège à bulles

Le piège à bulles est un dispositif passif présentant plusieurs avantages, parmi lesquels :

• Élimination en ligne des bulles, avec ou sans connexion au vide
• Évite les bulles d'air à proximité de vos cellules
• Changement facile des membranes pour éviter la contamination

Ce piège à bulles est équipé d'une membrane en PTFE. La solution contenant des bulles est poussée dans le piège et les bulles sont éliminées à travers une membrane en Téflon micro-poreuse. Vous pouvez choisir de connecter une pompe à vide à la sortie arrière du piège (mode actif) pour améliorer les performances du piège à bulles. Cependant, le piège présente généralement des performances de piégeage de bulles significatives sur la plupart des configurations, même sans pompe connectée (mode passif).