Couplage d’une jonction en croix et d’une jonction en té

L’objectif de ce travail de thèse est de développer un outil microfluidique permettant le criblage des conditions de cristallisation ou des ligands d’une protéine-cible. La jonction en croix présentée précédemment permet de mélanger deux solutions à l’intérieur des gouttes, la protéine et un agent de cristallisation par exemple. Cependant, il peut être nécessaire d’ajouter un additif, un second agent de cristallisation, ou un ligand. Ainsi, une troisième solution doit parfois être ajoutée dans les gouttes. C’est pourquoi un nouveau montage microfluidique est mis en place (Figure 72). Pour cela, la jonction en croix est couplée à une jonction en té, permettant d’ajouter une troisième solution dans les gouttes après leur génération. En effet, si les solutions mélangées dans la croix et la solution ajoutée dans le té sont miscibles, alors dans une certaine gamme de débit, la solution ajoutée se mélangera aux gouttes (§ A.2.2.4.1).

Figure 72 : (a) Schéma et (b) photographie de la formation des gouttes dans une jonction en croix associée à une jonction en té.

Le débit des deux phases aqueuses permettant de former les premières gouttes (en jaune sur la Figure 72), avant mélange, est appelé débit des phases aqueuses primaires.

La troisième solution (en rouge sur la Figure 72) est appelée troisième phase aqueuse. La somme des débits des deux premières phases aqueuses et de l’huile est appelée débit des gouttes primaires. Enfin, les gouttes mélangées formées après la jonction en té sont appelées gouttes secondaires. Il s’agit donc ici d’une étude à trois paramètres (débits de l’huile, des phases aqueuses primaires et de la phase aqueuse secondaire). La représentation en deux dimensions sur un graphe peut donc s’avérer complexe.

Une fois le montage mis en place, il faut déterminer les conditions de débit de chaque phase pour lesquelles la troisième solution se mélange bien aux gouttes primaires (sans utiliser de tensioactif pour faciliter la coalescence entre la troisième phase et les gouttes primaires). C’est-à-dire que la troisième solution ne doit pas former de nouvelles

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gouttes, et doit être ajoutée de façon régulière aux gouttes primaires. Afin de faciliter l’observation du mélange, des colorants sont utilisés, jaune pour les phases aqueuses primaires, et rouge pour la troisième phase aqueuse. Pour chaque débit étudié (FMS, premières phases aqueuses et troisième phase aqueuse), une étude statistique des caractéristiques des gouttes (taille, fréquence) est réalisée de façon à obtenir une zone de fonctionnement dans laquelle la troisième solution est ajoutée aux gouttes primaires de façon régulière et proportionnelle aux débits utilisés (Figure 73).

Figure 73 : Zone de fonctionnement représentant les plages de débits pour lesquelles la troisième phase aqueuse est ajoutée aux gouttes primaires dans un capillaire de 500µm ID.

Les points verts représentent les débits pour lesquels des gouttes régulières sont formées, les croix rouges les débits pour lesquels les gouttes formées ne sont pas régulières en termes de composition (couleur), de taille ou de fréquence. La zone de fonctionnement est représentée en bleu.

Certains débits situés dans la zone de fonctionnement ne permettent pas de former des gouttes régulières. L’ajout d’une troisième solution dans les gouttes à l’aide d’une jonction en té n’est pas possible pour certaines distributions de gouttes primaires. En effet, ces dernières doivent être suffisamment proches les unes des autres pour favoriser le mélange au lieu de la formation de nouvelles gouttes, mais doivent être suffisamment éloignées les unes des autres pour permettre l’augmentation du volume des gouttes secondaires sans coalescer. Une seconde zone de fonctionnement est alors déterminée, sur laquelle le mélange de la troisième phase aqueuse est représenté en fonction de la somme

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des débits des phases aqueuses primaires et du débit d’huile (Figure 74). Dans cette zone, le rapport des débits (somme des phases aqueuses primaires/huile) se trouve autour de 1/4 (trait plein vert), soit approximativement entre 1/3 et 1/6 (traits en pointillés verts).

Figure 74 : Diagramme représentant le débit d’huile FMS et la somme des débits des phases aqueuses primaires permettant l’ajout de la troisième phase aqueuse. Les points verts représentent les débits pour lesquels des gouttes régulières sont formées en sortie de té, les croix rouges les débits pour lesquels les gouttes formées ne sont pas régulières en termes de composition, de taille ou de fréquence. La zone de fonctionnement est représentée en vert.

L’expérience fonctionne lorsque le rapport des débits (somme des phases aqueuses primaires/huile) se trouve autour de 1/4 (trait plein vert), entre approximativement 1/3 et 1/6 (traits en pointillés verts). Le débit de la troisième phase aqueuse est compris entre 100 et 1000µL/h.

Lorsque les quatre débits (FMS, phases aqueuses primaires et troisième phase aqueuse) se situent dans les deux zones de fonctionnement (Figure 73 et Figure 74), cela signifie que la troisième solution est ajoutée régulièrement aux gouttes primaires, formant des gouttes secondaires reproductibles en taille, fréquence et composition. Dans ce cas, pour des débits d’huile et de phases aqueuses primaires constants, une augmentation du débit de la troisième phase aqueuse se traduit par une augmentation du volume de cette solution ajoutée dans les gouttes, tel que montré sur la Figure 75.

Figure 75 : Gouttes secondaires après mélange dans les gouttes primaires à l’aide d’une jonction en té. (a) goutte primaire jaune, (b) à (k) augmentation progressive du débit de la troisième phase aqueuse (rouge) pour les mêmes gouttes primaires. Une centaine de gouttes sont générées pour chaque condition avant l’augmentation du débit de la troisième phase aqueuse.

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Il est ainsi possible de contrôler la quantité de solution ajoutée aux gouttes primaires en contrôlant les débits des différentes solutions. Au fur et à mesure de l’augmentation du débit de la solution rouge, les gouttes sont de plus en plus rouges et leur volume augmente.

Le mélange des différentes solutions dans la goutte est d’autant plus rapide que la goutte est ronde (§ A.3.7). Ainsi, une augmentation trop importante du volume de la goutte, et donc un débit de troisième phase aqueuse trop important, ne permet pas d’obtenir une goutte homogène en un temps raisonnable (c’est-à-dire inférieur à une minute). En effet, plus la goutte est allongée plus son temps d’homogénéisation est long. Il est toutefois possible d’accélérer le mélange des solutions dans la goutte par effet dit twirling (ou tournoiement) en créant des virages successifs dans le positionnement des capillaires (Tice et al., 2003).