Formation de particules multicouches

L’approche principale développée au cours des ces travaux est la formation des particules multicouches par changement de solvant et regénération de gouttes. Afin de valider cette approche, un retour vers des puces en silicium-verre est nécessaire car l’état de surface des plaques de plexiglas microgravées mécaniquement nuit fortement aux écoulements à gouttes et particules. Cependant, face aux délais pour fabriquer ces puces, une autre approche pour la formation de ces particules a été récemment initiée. Plutôt que remplacer la phase porteuse par un monomère, cette autre approche vise à faire fusionner directement une goutte et une particule. Ces deux approches sont décrites ci-dessous.

VI.2.1 Approche par changement de phase porteuse

Les premiers essais de changement de phase sur des plaques en plexiglas gravées et munies de capillaires ont montré qu’il est possible de changer la phase porteuse sans perturber l’écoulement des particules. Le remplacement d’une phase aqueuse emportant les particules par une phase organique n’est pas complètement effectué mais semblable réalisable. En premier lieu, un ajustement ultérieur des débits d’injection devrait empêcher le blocage d’une particule à ce niveau. En outre, l’état de surface du canal du à la gravure mécanique du plexiglas n’est pas idéal pour prévenir l’accroche de la particule sur la paroi. Ainsi, afin de compléter le changement de solvant, une nouvelle puce en silicium-verre est créée en tenant compte des designs testés avec les plaques en plexiglas. L’objectif étant de coupler l’avantage en termes de formation de billes des microsystèmes à capillaires sphériques et l’état de surface ainsi que la résistance aux solvants qu’offrent les puces en silicium- verre. La gravure physico-chimique du silicium réduit, en effet, fortement la rugosité de la paroi et le silicium n’est pas dégradé par l’utilisation de monomères ce qui n’étaient pas le cas pour le plexiglas. Le design de la puce et le schéma de principe de son utilisation sont décrits sur la figure VI.4.

Cette nouvelle puce en silicium verre est insérée dans un support avec une plaque en inox et une plaque en plexiglas analogue à celui de la figure II.9. Les injections et les aspirations sont effectuées par les trous gravés dans le silicium mais à l’aide de joint toriques et ports vissés dans le support à

l’image de la figure II.6. L’entrée et la sortie des particules sont, quant à elles, assurée par des capillaires de 360 et 460 microns de diamètre extérieur comme décrit sur la figure II.33.

Figure VI.4 : Design de puces en silicium-verre sur le logiciel Clewin pour l’ajout d’une couche de monomère autour d’une particule : les traits noirs représentent des canaux de section carrée de 365 microns, les traits verts des canaux de section carrée de 395 microns et les traits bruns des canaux de section carrée de 465 microns ; les cercles bleus définissent les entrées/sorties de fluides sur la puce. Représentation schématique de l’écoulement envisagé lors du double changement de phase porteuse et la regénération de gouttes autour des particules.

Les canaux gravés dans le silicium (365 microns) ont environ les mêmes dimensions que ceux gravés dans les plaques de plexiglas. Les paramètres utilisés pour chaque opération sur les gouttes (changement de solvant, rapprochement des particules et génération d’une goutte autour d’une particule) devraient être similaires sur les puces en silicium verre. Ce nouveau design de puces possède donc :

- un premier module de changement de solvant pour passer d’une solution aqueuse entourant les billes au tiers solvant : il est composé d’un canal d’injection et de trois canaux d’aspiration - un second module de changement de phase pour effectuer le transfert vers une nouvelle phase

organique autour des billes : il est composé d’un canal d’injection et de deux canaux d’aspiration

- un module de génération de gouttes autour des billes : il est composé d’une aspiration symétrique et d’une zone de génération de gouttes en croix.

Le second module de changement de phase possède une zone d’aspiration en moins par rapport au premier module ; cependant la présence d’une zone de soutirage avant la regénération de gouttes doit permettre l’évacuation de tiers solvant qui serait encore présent après le module. Avec le même design global, deux versions de ces puces sont créés : une strictement analogue aux différentes plaques en plexiglas et l’autre avec des filtres à l’image de ceux de la figure II.4. Avec l’état de surface des parois en silicium, ces filtres devraient procurer un avantage en empêchant les billes de pénétrer dans les

canaux secondaires sans que ces dernières n’accrochent la paroi. La présence des filtres peut, cependant, réduire l’efficacité du soutirage de la phase continue car la zone effective d’aspiration à l’intersection est diminuée comme dans le cas des capillaires affleurants pour les systèmes en plexiglas.

Ces nouvelles plaques devront donc à la fois valider la faisabilité du changement complet de phase porteuse d’une phase aqueuse vers une phase hydrophobe et permettre la formation d’une couronne de monomère autour des billes. En outre, le design de ces puces est également utilisable pour d’autres applications. Ce microsystème toujours couplé à un système à capillaire pour générer les billes est notamment susceptible de créer des colliers perles. Pour former ces colliers de perles, Bouquey et al (2008) forment dans un premier temps les billes dans une solution de methylcellulose puis les nettoient avec une solution d’octanoate d’étain avant de les entasser dans un canal convergent. Dans notre système, les particules sont générées dans une solution aqueuse plus simple à évacuer que la methylcellulose. Les modules de changement de solvants pourraient ainsi faire le transfert de la solution aqueuse vers la solution d’octanoate d’étain et le module de regénération peut se transformer en double aspiration afin de rapprocher les billes les unes des autres jusqu’au contact.

VI.2.2 Approche par fusion gouttes-billes

Lors des manipulations sur l’aspiration de gouttes par deux canaux symétriques, la coalescence des gouttes de TPGDA a été constatée lorsque l’écart entre les gouttes devenait minimal. D’après les travaux de Tan et al (2007) et Liu et al (2007) sur la coalescence de gouttes plusieurs géométries de canaux sont exploitables pour étudier la coalescence entre les gouttes. Jusqu’à présent uniquement la fusion entre deux gouttes a été étudiée, mais afin de générer des particules multicouches, l’intérêt est de faire fusionner une goutte de monomère à une particule. Plusieurs designs de plaques sont ainsi créés :

- une plaque comprenant une chambre circulaire inspirée des travaux de Liu et al (2007) - une plaque comprenant une expansion conique inspirée des travaux de Tan et al (2007)

- un système couplant un élargissement (Tan et al, 2007) et des systèmes d’aspiration (manipulations sur l’aspiration des gouttes)

Pour ces trois systèmes les canaux amenant gouttes et particules font 400 μm de large et de profondeur, les différentes expansions ont une profondeur de 400 μm mais font au minimum 1 mm de large. La chambre circulaire (2 mm de diamètre) et l’expansion conique de (1 à 2 mm de large) ne sont pas exploitables car lors de la fabrication il est impossible de chasser l’air à l’intérieur de chaque zone d’expansion ainsi seul un élargissement inférieur ou égal à 1 mm est utilisable pour rapprocher gouttes et particules. Ce simple élargissement semblant insuffisant pour rapprocher gouttes et particules pour les faire fusionner, l’ajout d’un système d’aspiration est nécessaire. L’ensemble élargissement et modules d’aspiration donnent ainsi naissance au microsystème décrit sur la figure VI.5.

L’ensemble des capillaires utilisés dans ce système font 180 microns de diamètre interne. L’angle entre l’arrivée des particules et l’arrivée des gouttes est de 45° ; cet angle donne une intersection où il n’y a pas de gros élargissement comme pour les manipulations sur l’aspiration avec un angle de 20°

(figure V.3). Pour chaque système d’aspiration, les capillaires sont disposés de façon strictement symétrique à 2 cm de l’embouchure du canal principal. Les gouttes et particules sont finalement recueillies grâce à un trou percé dans la plaque supérieure du système et à l’aide d’un nanoport.

Figure VI.5 : Design de microsystèmes à capillaires pour la fusion entre une particule et une goutte et schéma de principe de la fusion par élargissement et aspiration de phase porteuse (les billes sont en bleu et les gouttes sont en orange)

Les premiers essais hydrodynamiques montrent que les bulles d’air présentes dans le système lors de l’injection des fluides n’accrochent que très peu à la paroi et sont facilement évacuées du système. Pour prévenir un éventuel contact des particules avec la paroi, l’introduction des gouttes de monomères sera préférentiellement effectuée par le canal latéral. L’angle de 45° devrait éviter le choc des gouttes sur la paroi opposé du canal principal et le coin droit à l’intersection des deux canaux. L’introduction des billes se fera donc directement par le canal principal, ces dernières resteront ainsi au centre du canal. Billes et gouttes subissent ensuite un ralentissement (passage d’un canal de section carrée d’environ 400 μm à un canal de section rectangulaire 1mm de largeur, 400 μm de profondeur) et commencent à se rapprocher. Deux modules d’aspiration symétrique devraient ensuite rapprocher gouttes et billes suffisamment pour que ces dernières entrent en contact et coalescent. Il reste donc à déterminer si les canaux d’aspiration de 400 μm de large se montrent efficaces pour aspirer la phase continue dans un canal de 1 mm et si, une fois gouttes et billes mises en contact, le monomère forme une couronne autour de la bille.

Entrée des particules Entrée des gouttes Sortie du système

La faisabilité de l’approche par fusion gouttes-billes est encore à prouver mais elle semble plus simple que l’approche par changement de phase porteuse et regénération puisqu’elle ne fait appel qu’à des modules d’aspiration et conserve généralement les gouttes et particules au centre du canal. Il faudra toutefois également faire attention à maintenir un débit minimal dans le canal pour que les particules ne subissent pas l’effet de la gravité, plongent au fond du canal et ainsi restent bloquées.