Lithographie molle « multi-couche »

Enfin, apr`es un nettoyage des surfaces si n´ecessaire, l’assemblage final se fait grˆace `a la

mise au contact conforme le bloc de PDMS et le substrat. Selon les utilisations, il est habituel

d’effectuer un pr´etraitement des surfaces afin que celles-ci soient irr´eversiblement coll´ees, ´evitant

ainsi les risques de fuites. Ce pr´etraitement se fait en cr´eant un plasma (gaz ionis´e) sur le bloc de

PDMS et le substrat, activant chaque surface. Apr`es le contact conforme, des liaisons covalentes

peuvent alors se former `a l’interface et de cette mani`ere maintenir ind´efiniment le contact entre

le PDMS et le substrat [34].

A.2 Lithographie molle _« multi-couche _»

La lithographie molle multicouche, ou plus commun´ementMultilayer Soft Lithography

-MSL-, a ´et´e un verrou technologique pour les puces microfluidiques. En effet-MSL-, elle permet d’y apporter

des ´el´ements de contrˆole actif en introduisant des vannes et des pompes, contrˆol´ees grˆace `a

une interface avec un ordinateur de bureau [38]. L’utilisation de tels ´el´ements de contrˆole actif

permet de r´ealiser ais´ement des tˆaches s´equentielles en microfluidique [62].

A.2.1 Les principes du MSL

Le MSL consiste `a superposer deux r´eseaux de canaux microfluidiques s´epar´es d’une fine

membrane de PDMS flexible. Au croisement de canaux de couches diff´erentes, la membrane est

support´ee de part et d’autre par les fluides contenus dans chaque canal. Lorsqu’une surpression

est appliqu´ee dans un canal, la membrane se d´eforme jusqu’`a boucher compl`etement le canal de

plus faible pression. C’est ainsi que nous obtenons une vanne.

En actionnant s´equentiellement des vannes qui se suivent le long d’un canal, trois vannes,

plus exactement, il est possible de cr´eer un mouvement de liquide dans le canal contrˆol´e. C’est

ainsi que nous obtenons une pompe p´eristaltique.

A.2.2 Utilisation pratique du MSL

Le protocole de fabrication de dispositifs microfluidiques multicouche a ´et´e adapt´e de celui de

Ungeret al.[38]. La principale difficult´e r´eside dans la fabrication de la fine membrane s´eparant

la couche de contrˆole, c’est `a dire la vanne, de la couche contrˆol´ee. Elle doit ˆetre assez fine pour

se d´eformer jusqu’`a fermer le canal contrˆol´e, mais en mˆeme temps assez ´epaisse afin de pouvoir

retrouver rapidement sa position de repos lorsque la surpression est relˆach´ee. Ainsi, il a ´et´e d´efini

un rapport id´eal de 1/10, o`u 1 correspond `a l’´epaisseur de la membrane et 10 la largeur du canal

`

a contrˆoler. Ajoutons que l’intersection entre la vanne et le canal, c’est `a dire la surface de la

membrane, doit ˆetre suffisamment grande pour permettre une convenable d´eformation de cette

derni`ere. Si la vanne est plus fine que le canal qu’elle traverse, alors la surface de la membrane

sera insuffisante pour lui permettre d’atteindre la paroi oppos´ee dans le canal travers´e. C’est

ainsi que l’on arrive `a faire croiser des vannes et des canaux sans pour autant cr´eer une situation

de vanne pneumatique.

Fabrication d’un moule pour la couche contrˆol´ee

Le dispositif se fabrique `a partir de deux moules correspondant aux canaux et `a la couche de

fines membranes puissent les boucher compl`etement [38]. Pour cela, il faudra utiliser des r´esines

photosensibles d´eformables apr`es le d´eveloppement. C’est l’´etape appel´ee _«fluage_» et se fait

habituellement `a haute temp´erature (120

◦

C).

Une r´esine photosensible d´eformable utilis´ee au laboratoire pour fabriquer les moules pour

les canaux de profil elliptique est la SPR 220-7 (Shipley). Le protocole de fabrication est le

suivant :

1. ´Etalement de la r´esine SPR 220-7 `a 1800 tours par minute pendant 30 secondes (avec une

rampe d’acc´el´eration de 500 tours par minutes par seconde).

2. Pre-bake `a 115

◦

C pendant 5 minutes.

3. Insolation aux UV pendant 8 secondes.

4. D´eveloppement dans un m´elange en volume de 1 : 4 de AZ400K : eau pendant environ 2

minutes puis rin¸cage `a l’eau.

5. Fluage `a 120

◦

C pendant 4 minutes.

Protocole de fabrication d’un dispositif multicouche

La fabrication d’un dispositif multicouche consiste en la superposition de couches

d’´elas-tom`eres moul´es. Le nombre couches utilis´ees et la configuration de l’assemblage peuvent varier,

mais la configuration habituelle consiste `a placer la couche de contrˆole au-dessus des canaux [62].

– Couche de contrˆole : pr´eparation habituelle du PDMS mais cuisson partielle de 45 minutes.

– Canaux : du PDMS `a proportion A : B diff´erente est pr´epar´ee et ´etal´ee en fine couche

sur le moule, pour obtenir environ 10µm d’´elastom`ere. Habituellement, nous utilisons du

PDMS 1 : 20 ´etal´ee avec une tournette `a 4500 tours par minute pendant une minute. La

cuisson est ´egalement partielle est dure 45 minutes.

– Assemblage : Une fois le bloc de PDMS de la couche de contrˆole est pr´epar´e, c’est-`a-dire

d´emoul´e, trou´e et nettoy´e, il le faut aligner sur le moule des canaux contenant la fine couche

de PDMS de proportion diff´erente partiellement cuite. Il s’en suit une cuisson plus longue

d’au moins 1 heure et 30 minutes avant de d´emouler, trouer, nettoyer et enfin assembler

ce dernier bloc de PDMS mixte sur son substrat.

L’assemblage puis la cuisson de plusieurs couches partiellement cuites de PDMS de

propor-tion de polym`ere : r´eticulant diff´erentes permet au r´eticulant de diffuser `a travers l’interface

des diff´erentes couches et de former ainsi des liaisons covalentes. Il est primordial pour

l’utili-sation d’´el´ements de contrˆole actif que les diff´erentes couches soient parfaitement solidaires. Il

est possible de remplacer l’adh´esion des diff´erentes couches par diffusion par une adh´esion plus

habituelle cr´e´ee par l’activation au plasma. Ces choix d´ependent tr`es fortement du profil des

canaux et de leur utilisation et sont `a d´eterminer empiriquement.

Annexe B

Exploitation du concept de la

micro-aspiration

Nous avons vu que la microfluidique permettait la gestion des petits volumes de fluide dans

des milieux confin´es et contrˆol´es. Les r´eactions bien contrˆol´ees et avantageuses rendues

pos-sibles par la microfluidique pr´esentent n´eanmoins un inconv´enient majeur qui est la difficult´e

d’acc`es `a l’int´erieur des microchambres et des microcanaux. Nous avons pr´esent´e, dans le

cha-pitre 2, la technique d’assemblage r´eversible de dispositifs microfluidiques par micro-aspiration.

La possibilit´e de pouvoir assembler et d´esassembler les dispositifs microfluidiques sans mat´eriel

suppl´ementaire est un avantage ind´eniable, notamment pour l’acc`es `a l’int´erieur du

disposi-tif. Cependant, la micro-aspiration pr´esente par ailleurs des propri´et´es de gestion de volume

int´eressantes que nous avons seulement ´evoqu´e dans le corps de ce manuscrit. Nous citerons

dans cette annexe quelques applications tirant parti des avantages sp´ecifiques que procure la

micro-aspiration afin de mettre en exergue la valeur ajout´ee de cet outil. Enfin, en derni`ere

partie de cette annexe, nous avons rassembl´e les r´esultats des simulations effectu´ees pour mieux

comprendre le comportement d’un dispositif microfluidique assembl´e par micro-aspiration.

Notons que ces travaux ont ´et´e r´ealis´es en ´etroite collaboration, tout au long de cette th`ese,

avec Ma¨el Le Berre.

B.1 Chimie de surface `a haute r´esolution

L’assemblage r´eversible des dispositifs microfluidiques par micro-aspiration permet d’utiliser

les dispositifs microfluidiques comme une ´etape provisoire dans une s´erie d’exp´eriences. Prenons

pour exemple la modification des surfaces par des canaux microfluidiques, pour obtenir des

mo-tifs complexes de r´esolution spatiale de l’ordre de la centaine de microns. Jusqu’`a pr´esent, la

r´ealisation de modifications chimiques complexes ne pouvait s’effectuer qu’in situ, et l’utilisation

des surfaces ainsi modifi´ees ´etaient effectu´ees soit directement `a l’int´erieur des microcanaux, soit

`

a l’ext´erieur, apr`es un processus fastidieux de dissection du dispositif [89]. Ce qu’apporte la

micro-aspiration ici est la possibilit´e de r´ealiser des traitements de surface avec des canaux

mi-crofluidiques assembl´es de mani`ere ´etanche, et d’utiliser les surfaces modifi´ees en d´esassemblant

avec facilit´e le dispositif microfluidique.

Multi-Colour Microcontact Printing

Une application directe de l’exemple cit´e en introduction est d’utiliser un dispositif

microflui-dique assembl´e par micro-aspiration pour d´eposer diff´erentes mol´ecules biologiques de mani`ere

s´elective sur la surface d’un substrat qui servira ensuite de tampon de r´esolution microm´etrique.

Les r´esultats d’une telle technique ont ´et´e pr´esent´es dans le chapitre 2 page 53.

Lemicrocontact printingest une technique tr`es r´epandue d’impression de motifs de r´esolution

microm´etrique par contact conforme entre le substrat et le tampon en ´elastom`ere. L’encre utilis´ee

pour cette technique peut contenir diff´erents types de mol´ecules (silanes, prot´eines, particules).

Le principe de cette technique est tr`es simple : le tampon en PDMS structur´e par des motifs

est immerg´e dans un liquide contenant des mol´ecules destin´ees `a ˆetre d´epos´ees ; une fois les

mol´ecules d’_«encre_» adsorb´ees sur le tampon, celui-ci est s´ech´e puis mis en contact avec le

substrat, afin que les mol´ecules puissent y ˆetre transf´er´ees ; le substrat est enfin rinc´e pour ne

garder sur sa surface une couche monoassembl´ee de mol´ecules d’_«encre_».

Dans le cas du multi-colour microcontact printing, l’encrage se fait par microfluidique :

des canaux sont align´es sur les structures correspondant aux motifs et diff´erentes solutions

d’_«encre_» peuvent irriguer les motifs. Ainsi, nous pouvons utiliser simultan´ement plusieurs

types de mol´ecules selon les emplacements pour l’encrage et mˆeme cr´eer des motifs complexes

de gradient de mol´ecules (voir figure 2.9 page 53).

Protocole exp´erimental

La r´ealisation de tels motifs n´ecessite deux moules correspondant au dispositif microfluidique

pour l’encrage (canaux de 10µm de hauteur) et au tampon (motifs de 1µm de hauteur), ainsi

que le substrat sur lequel seront transf´er´es les motifsin fine. Pour des motifs dont la r´epartition

des mol´ecules A et B se fait selon un gradient, nous utilisons un canal microfluidique large de

500 µm de cinq entr´ees et une sortie. Chaque entr´ee correspond `a un r´eservoir d’une

propor-tion diff´erente de mol´ecules (100%/0% ; 75%/25% ; 50%/50% ; 25%/75% ; 0%/100%). Apr`es une

certaine distance de flux parall`ele de ces diff´erents liquides, les mol´ecules diffusent et forment

un gradient continu de proportion dans le volume. Une fois le m´elange en mol´ecule s’est d´epos´e

sur les parois du dispositif microfluidique, ce dernier est rinc´e et d´esassembl´e. Le tampon

uti-lis´e comme_«plancher_» pour le dispositif microfluidique d’encrage contient alors en sa surface

Dans le document Contrôle et analyse électrochimique de la réactivité biologique à l'échelle de la cellule unique dans un dispositif microfluidique (Page 172-176)