Le choix du bon matériau pour le développement de dispositifs microfluidiques est crucial et non négligeable, car le matériau choisi doit combiner des qualités optiques proches de celles du verre (ou idéalement de la silice fondue) pour une détection optimale, des propriétés de surface évitant l'adsorption de biomolécules et l'électro-osmose, et la capacité à bien reproduire des structures de taille micrométrique.
Le (poly)diméthylsiloxane (PDMS), le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), le polycarbonate (PC), le polystyrène (PS), le polyimide et le polyéthylène (PE) sont quelques-uns des matériaux polymères couramment utilisés pour fabriquer des puces. Parmi ceux-ci, le PDMS est le substrat le plus populaire. Plus récemment, la résine SU-8 a fait son entrée sur le marché de la microfabrication pour les puces microfluidiques. Le copolymère d'oléfine cyclique (COC) et le diacrylate de polyéthylène glycol (PEGDA) sont également des matériaux largement employés pour la fabrication de puces microfluidiques.
Dans cette synthèse, notre équipe d'experts vous offre un aperçu complet des matériaux les plus utilisés en microfluidique, afin que vous puissiez choisir le plus adapté à votre application.
Les matériaux les plus couramment utilisés en microfluidique
La fabrication avec des polymères est aisée, et leur utilisation comme matériaux réduit le temps, la complexité et le coût du prototypage et de la fabrication. En général, les systèmes microfluidiques sont fabriqués par moulage et assemblage de répliques dans des élastomères tels que le PDMS, ou des thermoplastiques comme le PMMA ou le PC. D'autres sont de plus en plus appréciés dans le domaine de la microfluidique, tels que le COC ou le matériau SU-8. Ces polymères doivent leur succès à 4 propriétés essentielles : la biocompatibilité, la transparence, le faible coût et, bien sûr, l'absence de droits d'auteur.
Polydiméthylsiloxane ou PDMS
Une proportion significative de dispositifs microfluidiques sont fabriqués en PDMS. L'un des principaux avantages de ce matériau est sa grande transparence optique dans les gammes visible et ultraviolette, ce qui le rend adapté à de nombreuses applications basées sur la fluorescence. Une autre force du PDMS est qu'il est perméable aux gaz, ce qui permet la culture de cellules dans des dispositifs microfluidiques fabriqués à partir de ce matériau. La fabrication est également facilitée avec le PDMS puisque les puces sont simplement fabriquées à partir d'un moule avec le relief négatif d'un motif désiré. Le motif pré-structuré peut être obtenu en utilisant des techniques de photolithographie standard, et une infrastructure minimale de salle blanche est également requise pour l'assemblage des puces PDMS. Le PDMS est bien adapté aux techniques de prototypage, ce qui en fait un matériau de choix en microfluidique.
Au-delà de tous ses avantages, l'utilisation du PDMS comme dispositif d'absorption de médicaments ou d'autres molécules a révélé certains inconvénients lorsque le PDMS est oxydé [Regehr KJ et al. 2009 Lab Chip] [McDonald et al. 2000 Electroph.], ce qui a incité les chercheurs à produire des dispositifs dans d'autres matériaux. D'autres inconvénients rencontrés avec le PDMS sont, par exemple, le gonflement des solvants organiques (ce qui limite la gamme des applications microfluidiques), une faible résistance mécanique (entraînant l'effondrement de structures à rapport d'aspect élevé dans le dispositif) et des traitements de surface instables [Paul et al. 2007 Electroph.].
Polyméthacrylate de méthyle ou PMMA
Le PMMA est un thermoplastique transparent dont le monomère est le méthacrylate de méthyle (MMA). Ce polymère est mieux connu sous son premier nom commercial, le Plexiglas. Le PMMA présente de nombreux avantages tels que sa transparence, sa résistance et son caractère amorphe. Il permet donc une excellente transmission de la lumière, jusqu'à 92 % de la lumière visible, soit plus que le verre [site web Good Fellow].
Le PMMA est relativement sensible aux rayures (plus que les lentilles minérales conventionnelles) et devient cassant lorsqu'il contient des additifs. Il présente également une résistance relativement faible à de nombreux produits chimiques et se dissout dans de nombreux solvants organiques. Cependant, sa stabilité environnementale est meilleure que celle de la plupart des autres plastiques.
Polycarbonate ou PC
Le PC est un polymère thermoplastique. Comparé à d'autres matériaux utilisés en microfluidique, comme le COC (pour copolymère d'oléfine cyclique) par exemple, il est moins hydrophobe et les canaux présentent donc un meilleur comportement de remplissage. Idéalement, il est utilisé pour les applications à haute température telles que la PCR.
Le véritable inconvénient du polycarbonate est sa fluorescence intrinsèque relativement élevée, comparée par exemple au PMMA. Cet inconvénient est réellement préjudiciable pour la microscopie à fluorescence et restreint donc son utilisation.
Copolymère d'oléfine cyclique ou COC
Le copolymère d'oléfine cyclique (COC) est un polymère amorphe. Le COC est une classe de polymères relativement nouvelle par rapport aux produits de base tels que le polypropylène et le polyéthylène. Le copolymère d'oléfine cyclique est un matériau bien adapté aux applications microfluidiques. En effet, la liste de ses avantages est longue et comprend une bonne biocompatibilité, de faibles propriétés d'absorption d'eau, une bonne résistance chimique et une transparence élevée dans la gamme UV profonde.
Grâce à ses nombreux avantages, le COC peut bien sûr être utilisé pour la fabrication de puces dans de nombreux domaines, par exemple pour l'analyse de paramètres tels que les gaz du sang, la concentration de glucose et de lactate ou pour la détermination des niveaux d'hématocrite. De plus, les parois des canaux étant transparentes aux UV, elles permettent l'utilisation d'initiateurs UV tels que la benzophénone, largement employée pour le Western blotting.
Résine SU-8
Le SU-8 est une résine photosensible négative couramment utilisée dans la fabrication de microsystèmes. La résine SU-8 est composée de résine époxy, de carbonate de propylène, d'un initiateur de triaryl-sulfonium et d'un solvant organique. En raison de sa composition, le SU-8 est donc un polymère très visqueux qui est étalé sur une épaisseur allant de 1 micromètre à 2 millimètres et généralement travaillé par photolithographie. Il est de plus en plus utilisé pour la fabrication de moules car il présente une excellente stabilité chimique face à plusieurs acides et bases, ainsi qu'une grande stabilité thermique. De plus, le SU-8 est mécaniquement fiable, optiquement transparent et hydrophile. Ces propriétés font donc du SU-8 un matériau très attractif pour un large éventail d'applications telles que les applications microfluidiques bien sûr, mais aussi pour la micro-optique, le micromachinage, l'emballage ou les applications analytiques.
Le SU-8 est rarement utilisé comme puce autonome, mais plutôt comme moule en combinaison avec d'autres matériaux tels que le PDMS ou le silicone.
Hydrogels de polyéthylène glycol ou PEGs
Les PEG sont des hydrogels qui offrent des avantages significatifs par rapport à d'autres biomatériaux. En effet, les PEG sont synthétiques, ce qui permet un contrôle absolu des propriétés mécaniques telles que le module d'élasticité et le taux de dégradation, contrairement aux biomatériaux naturels. Cela signifie également que le PEG présente moins de variabilité d'un lot à l'autre par rapport aux matériaux d'origine naturelle. La composition chimique de ces hydrogels les rend hautement hydrophiles, résistants à l'adsorption des protéines et biocompatibles. Il existe une variété de groupes chimiques qui peuvent être incorporés dans les macromères de PEG pour faciliter la polymérisation et la réticulation du réseau (acrylate, méthacrylate, éther vinylique, norbornène, etc.) [Amy H et al. 2013 Chem J].
Les propriétés des matériaux qui peuvent être d'une importance fondamentale incluent l'usinabilité, la charge de surface, l'adsorption moléculaire, la mobilité du flux électro-osmotique, les propriétés optiques, et bien d'autres. Le choix du substrat est donc essentiel tant pour le processus de fabrication que pour la réussite de l'application du dispositif. Pour vous aider dans votre choix, Darwin Microfluidics propose une large gamme de dispositifs microfluidiques combinant différents designs et matériaux compatibles avec un large éventail d'applications.
