Techniques de microfabrication pour les polymères en microfluidique : une revue

La révolution de la microfluidique dans le monde de la recherche, quelle que soit l'application, a entraîné une explosion de la gamme de matériaux et de procédés utilisés pour fabriquer ces dispositifs. Aujourd'hui, le processus de lithographie et ses variantes semblent être les plus évidents compte tenu de la dominance des dispositifs microfluidiques fabriqués avec des polymères comme le PDMS. Dans cette revue, nous nous concentrerons sur les principaux procédés de microfabrication pour les polymères en microfluidique.

Photolithographie

La photolithographie est une technique de fabrication peu coûteuse, simple, rapide et fiable car elle permet d'obtenir des motifs de manière cohérente. Cette technique utilise un mélange de précurseur d'hydrogel et de photoinitiateur. Ils subissent ensuite une réaction de réticulation lorsqu'ils sont exposés à la lumière ultraviolette (UV) (Figure 1). L'avantage de cette technique est que l'exposition aux UV sur le précurseur d'hydrogel peut être contrôlée en utilisant un photomask sur lequel les motifs souhaités sont pré-imprimés [Rivest C et al. 2007 J Mech Mater Struct]. Une fois la photoréticulation effectuée, le polymère non réagi est simplement éliminé par lavage. La photolithographie permet des résolutions de l'ordre du millimètre au micromètre, ce qui offre des possibilités infinies pour la recherche, en particulier en ingénierie tissulaire.

De plus, elle peut être utilisée en combinaison avec d'autres techniques, ce qui la rend très populaire. Les inconvénients de cette technique sont la nécessité d'utiliser des précurseurs de polymères photodurcissables et la possibilité de dommages à l'ADN dans les cellules en raison du photoinitiateur, qui forme des radicaux libres lorsqu'il est exposé à la lumière UV [Slaughter BV et al. 2009 Adv Mater].

Lithographie douce

La lithographie douce est également une approche largement utilisée pour la fabrication de polymères de forme et de taille contrôlées (Figure 1).

La lithographie douce qui comprend l'impression par microcontact (μCP), le moulage par micro-transfert (μTM), le moulage par réplique (REM), le micromoulage en capillaires (MIMIC), le moulage par injection, et de nombreux autres procédés [Sahin et al. Fundamental Biomaterials: Metals] peut être utilisée dans une multitude d'applications, telles que les biocapteurs, la direction de l'adhésion cellulaire, le criblage de médicaments, le tri cellulaire et l'ingénierie tissulaire.

Le principe de la lithographie douce est le moulage ou l'impression de motifs de molécules biologiques avec une distribution spatiale et une topographie bien contrôlées [2]. Cette technique est principalement utilisée pour produire des polymères à l'échelle micrométrique de forme contrôlée. Plus précisément, un moule élastomère structuré est placé sur une solution de prépolymère liquide, qui est ensuite laissée à polymériser, fournissant ainsi les caractéristiques complémentaires de l'hydrogel. Au cours de ce processus, le liquide remplit les motifs sur la réplique en élastomère grâce aux phénomènes de tension superficielle et d'écoulement capillaire.

De nombreux avantages rendent cette technique largement utilisée, tels que la facilité d'accès, la simplicité, la rentabilité, la flexibilité, la polyvalence et l'efficacité temporelle. Cette technique permet un contrôle précis de la taille et de la forme des structures créées [16], et ne nécessite pas d'instrumentation coûteuse [Whitesides GM 2001 Annu Rev Biomed Eng]. Cependant, la lithographie douce présente des limitations avec les substrats d'hydrogel réticulés ioniquement ou chimiquement, tels que le chitosane ou l'alginate [Franzesi GT et al. 2006 J Am Chem Soc].

Le PDMS est le matériau de choix pour la fabrication de moules de taille micrométrique. Le PDMS est fabriqué en mélangeant un élastomère de silicone et un agent de durcissement, qui est ensuite versé sur une matrice micro-modélisée et thermiquement durcie. Cela produit la réplique correspondante à utiliser pour la micro-modélisation afin de produire des microstructures d'hydrogel [Shin H 2007 Biomaterials]. Comme déjà mentionné dans l'article sur les matériaux, le PDMS est un élastomère poreux biocompatible, privilégié pour les cultures cellulaires. De plus, sa surface peut être rendue hydrophile par l'utilisation d'un nettoyeur plasma. Outre le PDMS, les polyimides, les époxydes et les polyuréthanes sont également utilisés dans les études de moulage.

Bio-impression

La bio-impression est une technique basée sur la conception assistée par ordinateur (CAO). Dans cette technique, le dépôt de polymères est réalisé à l'aide d'une imprimante de manière contrôlée dans le temps et dans l'espace (Figure 1) [Song SJ 2010 Artif Organs]. Les technologies basées sur la CAO sont récemment devenues populaires dans la fabrication d'échafaudages poreux, tout comme l'impression 3D. Ici, les cellules peuvent être introduites dans les structures secondaires pendant la phase d'impression [Khalil S et Sun W 2009 J Biomech Eng]. Cette technique permettra la génération de microenvironnements 3D complexes à l'aide de ces systèmes de bio-impression, où les cellules sont intégrées dans des polymères pour imiter les tissus naturels [Song SJ 2010 Artif Organs].

Cette approche permet un contrôle de haute précision sur la forme et la taille des caractéristiques (résolution de dizaines ou de centaines de μm). Les approches les plus courantes en bio-impression incluent l'impression jet d'encre cellulaire, le dépôt cellulaire à l'aide d'une seringue, l'écriture laser [Song SJ 2010 Artif Organs], la bio-impression induite par laser [Guillotin B et Guillemot F 2011 Trend Biotechnol], et les technologies de prototypage rapide [Buyukhatipoglu K et al. 2010 Tissue Eng Part C-Methods]. L'impression jet d'encre est une technique rapide et rentable, mais présente de nombreux inconvénients tels que les forces mécaniques exercées sur les cellules et le fait que les buses d'impression peuvent se boucher à des densités élevées [Guillotin B et Guillemot F 2011 Trend Biotechnol].

La bio-impression assistée par laser (LAB), une autre technique de bio-impression, est une approche utile pour l'impression de cellules, de polymères ou de biomolécules. Cette technique utilise une couche intermédiaire absorbant le laser et ne permet donc pas d'interaction directe entre l'encre et le faisceau laser [Guillemot et al. 2010. Nanomedicine].