En microfluidique, il est essentiel que les dispositifs aient une surface stable et bien caractérisée, en particulier lorsqu'ils sont utilisés pour des applications biomédicales. Nous classons généralement les revêtements en deux groupes : covalents et adsorptifs. Dans cette revue, nous présenterons les revêtements les plus pertinents utilisés en microfluidique pour différents matériaux.
Quels paramètres influencent le choix du revêtement ?
Le fluide qui traversera les canaux de votre dispositif sera en contact étroit avec la surface via les parois, et sera donc très sensible à la chimie de la surface. Au-delà de la chimie, le matériau joue un rôle extrêmement important (retrouvez ici la note d'application sur les différents polymères utilisés pour la microfabrication de puces microfluidiques) car la façon dont il réagit au traitement de surface sera un facteur déterminant.
Il faut ensuite déterminer, bien sûr en fonction de l'application, le résultat souhaité. En effet, le revêtement sera différent si l'on veut faire adhérer des cellules à la surface, ou simplement laisser un fluide s'écouler pour former des gouttes à la sortie.
Enfin, un autre paramètre doit être pris en compte : la tension de surface. Le changement d'échelle dû à la miniaturisation provoque des bouleversements dans l'importance relative des phénomènes physiques habituellement rencontrés à l'échelle macroscopique. Ainsi, en microfluidique, les effets de surface sont importants et ne peuvent être négligés. Le rapport des forces de surface aux forces de volume évoluera comme l'inverse de la longueur caractéristique du système. Son importance à l'échelle micrométrique peut conduire à l'apparition de phénomènes particuliers tels que l'instabilité de Rayleigh-Plateau. En bref, l'instabilité du R-plateau (Figure 1) stipule qu'un cylindre de fluide se déforme et se fragmente spontanément pour abaisser son énergie de surface. De manière très générale, le film est instable, il ondule à une certaine longueur d'onde. Puis les ondulations continuent de croître et se résolvent finalement en plusieurs gouttelettes. L'état final de l'instabilité est parfois une succession de petites gouttes appelées « satellites ».
Après avoir examiné tous les paramètres à prendre en compte, il est maintenant temps de détailler les différents types de revêtement.
Les différents types de revêtements
Stratégies de revêtement covalent
Les revêtements covalents se caractérisent par une liaison chimique formée entre un groupe fonctionnel à la surface du substrat, c'est-à-dire les parois des canaux microfluidiques, et un groupe fonctionnel de l'agent de revêtement utilisé. Les revêtements covalents sont appréciés pour leur excellente stabilité. Cependant, comme ils doivent être adaptés à la fonctionnalité de surface disponible du matériau utilisé, cela rend les stratégies universelles plus difficiles à appliquer par rapport à d'autres méthodes de traitement de surface.
Stratégies de revêtement covalent pour le PDMS
L'une des stratégies de liaison covalente souvent utilisées consiste à lier des dérivés d'alcoxysilane via des surfaces portant des groupes hydroxyle, obtenant ainsi des liaisons siloxane. Cette méthode a été utilisée pour la première fois pour les surfaces de verre et de silice. Aujourd'hui, elle est également utilisée dans les dispositifs microfluidiques à base de PDMS. Le véritable avantage de cette technique est le fait que la liaison peut être réalisée via un à trois groupes alcoxy du silane réactif. Cela permet alors une orientation correcte et une réticulation stable à la surface. De plus, la fonctionnalité du silane peut être ajustée pour atteindre la réactivité chimique souhaitée.
Stratégies de revêtement covalent pour le PMMA
De nombreuses procédures d'activation et de couplage de surface, permettant une large gamme de fonctionnalités, ont été développées pour le PMMA, consistant principalement à introduire des fonctionnalités amine sur les surfaces de PMMA (voir figure 2). L'une d'elles est un revêtement de poly(éthylèneimine) (PEI), un polymère aminé connu pour améliorer la liaison des anticorps à la surface du PMMA [Bai et al., 2006 Langmuir].
Un autre exemple de traitement de surface du PMMA avec des fonctionnalités amines est l'activation de diamines lithiées pour lier des alkylcyanates au PMMA [Henry et al., 2000 Analytical Chemistry]. Cette méthode a été utilisée par Hashimoto et al. [2005 Analytical Chemistry, 2006 Biosensors & Bioelectronics] pour améliorer la détection de mutations ponctuelles de l'ADN.
Stratégies de revêtement covalent pour le polycarbonate
Une approche pour la liaison covalente sur le polycarbonate implique la création de groupes carboxyliques à la surface. Ainsi, un traitement UV/ozone peut être utilisé pour induire des groupes COOH pour la liaison de groupes amino via l'activation par carbodiimide [Li et al., 2007 Analytical Chemistry].
L'approche susmentionnée, qui a donné de bons résultats sur le PMMA, peut également être utilisée pour le polycarbonate [Hashimoto et al. 2005 Analytical Chemistry, 2006 Biosensors & Bioelectronics]. L'activation de surface avec des diamines lithiées peut également être utilisée avec le polycarbonate pour le couplage d'ADN sur des surfaces microfluidiques afin de détecter des mutations ponctuelles de paires de bases et ainsi améliorer les applications de réaction en chaîne par polymérase (PCR) [Abdallah et Ros, 2013].
Stratégies de revêtement covalent pour le verre
Les surfaces de dioxyde de silicium ou SiO2 sont certainement les surfaces les plus étudiées pour les applications microfluidiques. En effet, leurs propriétés de surface sont adaptées à une variété d'applications telles que la microfluidique, la chromatographie capillaire ou l'électrophorèse capillaire. Le verre, la silice fondue et le quartz peuvent tous être dérivés en utilisant la même chimie de couplage.
Les groupes silanol sur les surfaces de SiO2 réagissent avec les alcoxysilanes pour former une liaison covalente stable. Des silanes similaires à ceux utilisés avec le PDMS sont employés pour le SiO2 et créent des réactions covalentes pour se lier à d'autres entités selon le groupe de tête de silane utilisé [Abdallah et Ros, 2013].
Une application légèrement différente de la silanisation peut être utilisée pour immobiliser des anticorps sur des billes de verre afin de détecter des agents pathogènes dans un microcanal [Lee et al., 2006 Bull. Korean Chem. Soc.].
Stratégies de revêtement adsorbant en microfluidique
Les stratégies d'adsorption sont basées sur des interactions intramoléculaires entre le matériau de revêtement et la surface du substrat. Elles peuvent être médiatisées par plusieurs moyens tels que les interactions électrostatiques, les forces de van der Waals et/ou les interactions hydrophobes. Un avantage majeur de ces revêtements est leur facilité d'utilisation, car les microcanaux n'ont généralement qu'à être incubés avec une solution contenant l'agent de revêtement pendant une certaine période. Les revêtements adsorptifs sont largement utilisés et sont aussi performants que les revêtements covalents en termes de prévention de l'encrassement biologique et de l'adsorption non spécifique, ainsi qu'en tant que molécules de liaison pour une meilleure fixation biomoléculaire.
Revêtement protéique en microfluidique
Le revêtement protéique est une approche très populaire et largement utilisée pour recouvrir les surfaces des canaux microfluidiques. Par exemple, de manière très classique, le revêtement avec la protéine albumine sérique bovine (BSA) est utilisé en biologie moléculaire depuis plusieurs décennies pour bloquer les sites de surface contre l'adsorption non spécifique.
La streptavidine est largement employée comme molécule de liaison en raison de sa forte affinité pour la biotine. La liaison biotine-streptavidine est quasi covalente et la petite molécule de biotine peut être aisément dérivatisée avec d'autres molécules de liaison ou protéines [Abdallah et Ros, 2013]. Cette paire de liaison a ainsi trouvé de vastes applications dans les sciences physiques et de la vie, et peut également être utilisée dans des stratégies d'adsorption pour les revêtements de surface microfluidiques. L'emploi d'un dérivé de la streptavidine, la NeutrAvidin, constitue une méthode pour revêtir facilement le PDMS [Linder et al., 2001 Analytical Chemistry].
Revêtements polymères adsorptifs en microfluidique
Le choix du polymère de revêtement est fortement dépendant de la surface microfluidique en raison des variations d'interactions de surface entre les matériaux. Il est adapté à de nombreuses applications et, de plus, comme le verre, la silice et le PDMS ont une chimie de surface similaire, des stratégies de revêtement similaires à base de polymères peuvent être appliquées.
Il a été prouvé que les méthodes de revêtement dynamique peuvent être considérées comme plus stables que l'immobilisation statique. En effet, avec cette méthode, la surface du substrat est constamment renouvelée avec le matériau de revêtement. De plus, plusieurs matériaux microfluidiques polymères ont été soumis à des procédures de revêtement dynamique.
Par exemple, dans le cas du PMMA, il a été rapporté que le revêtement adsorbant dynamique de cellulose permet l'utilisation à long terme (plus de 100 passages) d'un seul dispositif microfluidique pour l'électrophorèse de l'ADN [Abdallah et Ros, 2013].
Multicouches de polyélectrolytes en microfluidique
Les polyelectrolytes multicouches (PEM) sont utilisés pour plusieurs applications. Cette méthode est définie par la transmission des forces d'interaction entre le revêtement et la surface du substrat via des interactions électrostatiques, ce qui assure leur stabilité. L'avantage de cette méthode est qu'elle peut offrir une durée de vie beaucoup Longer par rapport à d'autres stratégies d'adsorption physique.
Autres stratégies de revêtement en microfluidique
Les deux catégories énumérées ci-dessus (revêtement covalent et adsorptif) incluent de nombreux traitements de surface disponibles pour les dispositifs microfluidiques. Cependant, il existe d'autres approches qui peuvent être utilisées pour modifier les propriétés de surface des dispositifs microfluidiques, que nous détaillerons brièvement.
L'exposition aux gaz plasma réactifs peut produire des radicaux qui modifient la composition chimique d'une surface. Par exemple, il est courant en microfabrication d'utiliser des espèces réactives de l'oxygène pour modifier les surfaces de PDMS et de verre par traitement UV ou plasma (à l'oxygène ou à l'ozone). Dans la plupart des cas, ce type de traitement est suivi d'un revêtement covalent tel que la silanisation.
Une autre méthode peut également être utilisée : la pulvérisation métallique. Par exemple, la pulvérisation et l'évaporation d'or sur les surfaces des microcanaux est une technique développée en microfluidique. Les surfaces recouvertes d'or servent de matrices pour les monocouches auto-assemblées (SAM), auxquelles des groupes de têtes thiol peuvent être appliqués [Abdallah et Ros, 2013].
Conclusion
Les revêtements de surface sont essentiels au succès de nombreux dispositifs microfluidiques et pour une variété d'applications. La diversité des matériaux et des stratégies de revêtement pour les matériaux microfluidiques est énorme, et nous n'avons pu en présenter que quelques-uns. Cependant, avec les paramètres décrits dans la première partie de cette revue et les exemples d'application succincts mentionnés pour chaque revêtement, vous disposez de toutes les clés pour déterminer le revêtement idéal pour votre plateforme microfluidique.
Pour plus d'informations sur les applications possibles en fonction du revêtement, nous vous invitons à consulter les articles référencés.
