L'émergence de la microfluidique a conduit à l'intégration de dispositifs micro et nanofluidiques dans de nombreuses applications telles que l'analyse biomédicale et chimique.
Les dispositifs micro et nanofluidiques dotés de très petits canaux (taille en µm) offrent des avantages intéressants en termes de réduction de la consommation d'échantillons et d'augmentation de la sensibilité grâce à l'utilisation de petits volumes (micro/nano litres), ce qui permet d'obtenir un rapport surface/volume assez important. Le développement des nanotechnologies et des systèmes micro/nano-électromécaniques (MEMS, NEMS) permet également de fabriquer et d'intégrer très facilement des composants microélectroniques.
Dans cet article, nous examinerons différentes méthodes pour intégrer des pompes et des vannes sur une puce microfluidique à travers divers exemples de la littérature.
Fabrication d'un système de micro-valve manuel en PDMS
Les valves utilisées en microfluidique reposent généralement sur les types de structures de contrôle suivants : mécanique opérationnelle, pneumatique, électrocinétique, changement de phase, ou introduction d'une force externe.
Il existe deux types de valves selon leur état : les valves actives et passives. Leur classification dépendra ensuite de leur association avec des pièces mobiles mécaniques ou non mécaniques.
Dans cet exemple, les chercheurs ont choisi de fabriquer leur propre valve. Le principe de fonctionnement de la valve est basé sur la structure mécanique (fabriquée à partir de matériaux Plexiglas®) et de matériaux flexibles (PDMS) comme décrit à la figure 1.
La vanne se compose d'une partie active comprenant un canal et un film mince en PDMS (figures 1(a) et 1(b)). Le film en PDMS a été fabriqué avec une épaisseur de 100 µm et collé sur le dessus du canal au moyen d'une fonctionnalisation dans un nettoyeur plasma. Le canal a été fabriqué avec les dimensions suivantes de 1 × 0,05 × 10 mm en PDMS par une technique de lithographie douce.
La structure mécanique pour l'ouverture et la fermeture du flux a été combinée avec deux composants : une vis (diamètre ~3 mm, avec un pas de vis de 0,5 mm) est guidée à travers un trou fileté dans une plaque de Plexiglas, laquelle est à son tour fixée à une seconde plaque ; une pièce en PDMS (~2,5 mm) qui est plus petite que le trou de la vis et se déplace librement dans ce trou. La pièce en PDMS aide la tête de vis à ne pas fissurer le film de PDMS pendant le processus de travail.
Concernant la valve, elle présente deux structures principales composées de pièces en PDMS et en Plexiglas® comme le montre la figure 1(d). La partie en PDMS intègre la zone comportant les canaux (pour les valves de canal) ainsi qu'une plaque intermédiaire en PDMS percée de plusieurs trous de même diamètre que les vis. Les deux structures mécaniques ont été usinées dans du Plexiglas® : la première est conçue avec des trous filetés, tandis que la seconde constitue un support inférieur qui, combiné à la première (tel un serre-joint), permet de fixer l'ensemble des éléments de la structure du système de valves.
Pour obtenir plus d'informations sur cette conception, nous vous invitons à lire l'article Le T N et al. 2020, Adv. Polym. Technol.
Il faut admettre que cette méthode est astucieuse, pratique et économique, mais elle ne peut pas être appliquée dans tous les cas, notamment en ce qui concerne la présence de la vis. En effet, certaines applications exigent une intégration et des performances très élevées. Nous verrons donc dans un autre exemple ce qu'il est possible de faire en prototypage.
Cœur/cancer sur puce intégré pour reproduire les effets secondaires des médicaments anticancéreux in vitro
Pendant longtemps, le laboratoire sur puce a été principalement utilisé pour l'analyse biochimique et la détection, mais il trouve également des applications récentes dans le domaine du diagnostic.
Ainsi, les progrès vers un système de diagnostic portable deviennent possibles à mesure que les technologies évoluent. Outre les systèmes microfluidiques, des pompes, des électrodes, des vannes et des champs électriques sont nécessaires. Tout cela peut être réalisé grâce à la microélectronique intégrée.
Dans cet exemple, l'équipe a développé un dispositif microfluidique — un système intégré de type cœur/cancer sur puce (iHCC) — utilisant des cellules cardiaques humaines saines (hCMs) et des cellules de cancer du foie (HepG2) pour récapituler les effets secondaires de la doxorubicine (DXR), un médicament anticancéreux. L'objectif est de réaliser des cultures cellulaires individuelles issues de différents tissus sur un seul et même dispositif, doté de trois boucles de circulation sanguine artificielle, d'une technologie de microfabrication pour les microvalves et d'une pompe assurant une gestion précise des fluides.
Pour la fabrication de l'iHCC, l'équipe a choisi d'utiliser du PDMS, en particulier pour sa biocompatibilité, sa bonne perméabilité aux gaz et sa bonne transparence à la lumière.
La couche dite de perfusion contient deux chambres de culture cellulaire (2,1 mm de large et 220 mm de haut) qui suffisent à fournir les facteurs de croissance nécessaires ainsi que le médicament anticancéreux, tout en réduisant le cisaillement hydrodynamique.
Des micro-canaux ont été créés pour interconnecter les deux chambres de culture cellulaire (150 mm de large, 45 mm de haut) par des orifices d'entrée et de sortie.
La couche dite de contrôle, également composée d'une membrane en PDMS mince et flexible (200 x 200 µm² et 20 µm d'épaisseur), intègre des valves permettant la culture indépendante de deux types cellulaires sans contamination croisée, ainsi que des micropompes pour un contrôle précis du débit du milieu.
Ainsi, ce dispositif comprenait trois ensembles de deux chambres de culture cellulaire avec une boucle de circulation fermée pour permettre trois traitements cellulaires différents mais simultanés au sein du même dispositif (Figure 2).
Pour obtenir plus d'informations sur cette conception, nous vous invitons à lire cet article Kamei K et al 2017 RSC Adv.
Darwin Microfluidics propose une large gamme de microvalves et de micropompes pour la réalisation de ce type de prototype microfluidique. Nos experts ont sélectionné pour vous les produits les mieux adaptés à votre application dans le tableau suivant.
| Type de produit | Taille | Liens du site web Darwin Microfluidics |
| Valve whisper 2/2 ou 3/2 voies Type 6724 de Bürkert | Largeur de 8,9 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-or-3-2-way-whisper-valve-type-6724 |
| Micro-valve whisper microfluidique 2/2 voies Type 6712 de Bürkert | 18.2 x 7.2 x 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/microfluidic-minimum-volume-solenoid-valve-burkert-type-6712 |
| Mini-valve microfluidique 2/2 voies de Memetis | 20 x 5 x 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-way-microfluidic-miniature-valve |
| Micropompes de la série BP7 de Bartels | 30 x 15 x 3.8 mm | https://darwin-microfluidics.com/products/bartels-bp7-micropump |
Grâce à cet article, vous disposez de toutes les clés pour vous lancer dans la fabrication de prototypes microfluidiques. Les experts de Darwin Microfluidics restent à votre disposition pour vous conseiller !
