La microfluidique désigne la science mais aussi les techniques derrière la gestion des flux à la micro-échelle. À ces échelles, la dynamique des fluides change radicalement par rapport à la vie quotidienne : par exemple, les écoulements d'eau sont laminaires, ce qui signifie qu'ils ne se mélangent pas et ne forment ni vortex ni tourbillons. Cette caractéristique, parmi d'autres, est à la base de la révolution apportée par la microfluidique dans la science. Afin de contrôler et de confiner les fluides à la micro-échelle, des puces microfluidiques sont utilisées.
Qu'est-ce qu'une puce microfluidique ?
Ce sont des dispositifs où des motifs de microcanaux sont soit moulés, soit gravés. De plus, des éléments de contrôle de flux actifs ou passifs, tels que des membranes ou des valves, peuvent être implémentés sur la puce afin de gérer précisément les fluides. Par conséquent, les puces microfluidiques permettent d'intégrer plusieurs fonctions qui nécessitent généralement un laboratoire entier, dans un seul dispositif de taille micrométrique. C'est pourquoi la microfluidique, et en particulier les puces microfluidiques, sont souvent désignées comme des « Laboratoires sur puce ». Dans ce qui suit, un bref aperçu des matériaux les plus couramment utilisés pour fabriquer des puces microfluidiques sera présenté.
Matériaux pour puces microfluidiques
Au fil des ans, plusieurs matériaux, tels que le verre, le silicium et les polymères, ont été employés pour fabriquer des dispositifs microfluidiques. Ceux-ci peuvent être principalement classés en : inorganiques, polymériques et papier. Évidemment, il n'existe pas de matériau « parfait », car chacun d'eux présente des avantages et des inconvénients lorsqu'il est utilisé en microfluidique. En fin de compte, c'est l'application qui guide le chercheur dans sa sélection. Dans ce chapitre, les matériaux les plus couramment utilisés en microfluidique seront brièvement passés en revue. Le lecteur plus curieux pourra trouver davantage d'informations dans de nombreuses excellentes revues publiées sur le sujet, telles que celles de Nge et al. 2013 et We et al. 2013.
Polymères
Les polymères sont largement utilisés dans la fabrication de dispositifs microfluidiques en raison de leurs bonnes performances biochimiques et de leur faible coût. Parmi eux, l'un des plus utilisés est le PDMS. L'acronyme PDMS désigne le Polydiméthylsiloxane, un polymère organo-minéral de la famille des siloxanes. Ce matériau se retrouve dans l'alimentation comme additif (E900), dans les produits cosmétiques et les huiles lubrifiantes. Les raisons qui font du PDMS un très bon matériau pour la fabrication de puces sont multiples, les principales sont résumées ici :
- Transparence : les micro-canaux et leur contenu sont directement visibles
- Élasticité : Le PDMS est assez élastique et cette propriété peut être utilisée pour diverses applications, par exemple l'intégration de vannes par déformation du canal. De plus, son élasticité peut être « ajustée » à l'aide d'agents de réticulation.
- Coût : Le PDMS est beaucoup moins cher que les autres matériaux utilisés pour la fabrication de puces microfluidiques ;
- Perméabilité : Le PDMS est perméable aux gaz, ce qui peut être utilisé en culture cellulaire, dans les capteurs de gaz, etc.
Évidemment, l'utilisation du PDMS pour la fabrication de puces microfluidiques présente également des inconvénients. Parmi ceux-ci, on peut citer : le vieillissement du matériau qui limite les performances de la puce au fil des ans et la faible compatibilité chimique avec de nombreux solvants organiques, ce qui rend le PDMS principalement adapté aux applications aqueuses.
De plus, le PDMS absorbe les molécules hydrophobes et la vapeur d'eau qui peuvent ensuite être accidentellement émises pendant l'expérience. Un autre inconvénient des dispositifs microfluidiques en PDMS est l'impossibilité de mettre en œuvre des électrodes dans la puce, même si cela peut être contourné en plaçant les électrodes dans la lame de verre de recouvrement au lieu de la puce elle-même. Vous trouverez plus d'informations sur le PDMS et son application à la microfluidique sur le site d'Elvesys. Comme mentionné ci-dessus, bien que le PDMS permette une fabrication rapide et facile de puces microfluidiques, il présente divers inconvénients qui empêchent son utilisation dans certaines applications. Afin de surmonter ces inconvénients, tout en bénéficiant d'une production peu coûteuse et rapide, d'autres polymères peuvent être utilisés pour construire des dispositifs microfluidiques. Un exemple d'autre polymère utilisé pour les puces microfluidiques est le polystyrène (PS), qui est un polymère d'usage courant dans la recherche pharmaceutique pour les boîtes de culture cellulaire. Le PS est optiquement transparent, biocompatible, inerte, rigide et sa surface peut être facilement fonctionnalisée.
💡 sa surface hydrophobe peut être facilement rendue hydrophile par divers moyens physiques et chimiques, notamment :
décharge corona, plasma gazeux et irradiation. D'autres polymères fréquemment utilisés pour les dispositifs microfluidiques sont le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) et le polycarbonate (PC). Le PC présente une meilleure résistance thermique que le PMMA et peut donc être utilisé dans une plage de températures plus étendue. Le PMMA est un élastomère avec peu de déformation par rapport au PDMS et est donc employé lorsque la rigidité est requise, par exemple pour la construction de la canalisation des microvalves. Si vous souhaitez en savoir plus sur le revêtement hydrophile/hydrophobe, consultez notre revue complète ici! 😉
Puces microfluidiques en silicium et en verre
L'un des premiers matériaux utilisés en microfluidique fut le silicium. La raison en est le lien profond entre les premières puces microfluidiques et l'industrie microélectronique, où le silicium était et reste l'un des matériaux les plus utilisés. Les avantages du silicium dans les applications microfluidiques résident dans sa conductivité thermique, sa stabilité de surface et sa compatibilité avec les solvants. Le principal inconvénient des puces microfluidiques en silicium est son opacité optique dans le spectre électromagnétique visible, ce qui rend la détection optique impossible.
Un autre matériau pionnier dans la fabrication de puces microfluidiques a été le verre. Ce matériau présente les mêmes avantages que le silicium mentionnés ci-dessus. En particulier, ses chimies de surface bien connues, sa transparence optique supérieure et son excellente résistance à haute pression en font le meilleur choix pour de nombreuses applications. Le verre est également biocompatible, chimiquement inerte, hydrophile et permet des revêtements efficaces. Le principal inconvénient des puces microfluidiques en verre est le coût plutôt élevé de la matière première.
Puces microfluidiques sur papier
Récemment, le papier a également été pris en compte comme matériau potentiel pour la fabrication de puces microfluidiques. La principale raison en est que le papier est une matière première très bon marché. Cependant, les avantages de l'utilisation du papier pour les applications de dispositifs microfluidiques vont au-delà des coûts extrêmement bas. En effet, le papier est fin, léger et facile à stocker, à manipuler et à transporter. De plus, il est compatible avec les échantillons biologiques et peut être traité chimiquement afin de se lier à des molécules ou des protéines. Enfin et surtout, le papier est facile à éliminer après usage, ce qui en fait un matériau très respectueux de l'environnement pour les puces microfluidiques. Les principales lacunes de l'utilisation de dispositifs microfluidiques à base de papier résident dans la difficulté à structurer les canaux sur la puce. En effet, il n'existe pas de méthode de structuration « parfaite », car chacune implique des compromis entre coût, commodité et résolution qui doivent être évalués au cas par cas.
