Mélange de particules

Dans cette section nous avons pour le moment abordé les problématiques de séparation de particules (et cellules). Certaines techniques actives (notamment utilisant la force magnétique) ne peuvent être envisagées qu’après avoir marqué les cellules cibles avec des anticorps ou des particules. Une préparation de l’échantillon est donc nécessaire, en particulier des étapes de mélange (cellules et anticorps, ou particules et anticorps suivi que particules et cellules).

Le mélange d’une espèce en solution provient de la réalisation de deux phénomènes : la diffusion, qui est toujours présente, résultant d’un gradient de concentration de l’ espèce, et l’advection, venant du transfert de matière (présence d’un flux). Dans les systèmes macrosco-piques, on recherche essentiellement à provoquer des écoulements turbulents pour mélanger (l’importance de l’advection est nettement supérieure à celle de la diffusion), mais le régime est le plus souvent laminaire dans le cadre des microsystèmes (du fait de leur taille). Le mé-lange représente donc un challenge aux micro-échelles et de ce fait mobilise la communauté

FIGURE1.5 – Techniques intertielles et biomimétiques. a)-c) Séparations inertielles avec un dispositif a) en serpentin [34] c) en spirale [35]. b) Montre l’équilibre entre les forces de poussée (lift) et les forces de Dean attirant les particules vers le centre. Les figures a)-c) sont reprises de [13]. d) Phénomène de roulage des leucocytes [42] et e) application au tri de cellules cancéreuses (leucémie) [39]. f ) Isolation biomimétique de leucocytes (l’étoile montre un globule blanc juste après l’intersection) [43].

scientifique. Des revues d’articles sont publiées périodiquement [44,45,46,47,48,49,50], et de nombreuses techniques y sont répertoriées. On distingue notamment les mélangeurs actifs (on ajoute de l’énergie sous forme mécanique, acoustique, électromagnétique, thermique. . . ) des mélangeurs passifs, pour lesquels différentes méthodes reposant uniquement sur l’hydro-dynamique et la diffusion existent pour améliorer les performances de mélange.

Nous nous intéresserons ici uniquement aux mélangeurs passifs (un exemple de mélangeur actif magnétique sera donné au paragraphe1.3.5), et plus particulièrement au mélange de particules.

Le micromélange passif peut être réalisé en utilisant différentes méthodes. On peut citer l’injection (un flux de l’espèce à mélanger est introduit avec une très faible épaisseur au centre de deux flux contenant les autres réactifs, afin de profiter d’une distance de diffusion très faible), les canaux en zigzag, les structures à chevrons (impose une rotation au flux), les puits (induction de recirculations), le mélange en gouttes (microréacteurs, distance de diffusion plus faible et mouvement internes à la goutte), ou encore le laminage (partitionnement et juxtaposition des flux à mélanger pour obtenir des distances de diffusion faibles). . .

La diffusion de grosses molécules, et a fortiori de particules ou cellules étant très faible, il est d’autant plus difficile de mélanger des objets micrométriques sans advection.

Linet al.ont réalisé un dispositif permettant de mélanger des cellules (CTCs parmi des globules blancs, qui ont des tailles voisines) avec des microbilles fonctionnalisées (3μm de diamètre, anti-EpCAM) afin d’augmenter la taille des CTCs et de pouvoir les discriminer en employant un microfiltre [51]. Ce dispositif en deux dimensions repose sur la création de vortex de Taylor-Görtler, qui nécessitent un rapport de forme des canalisations élevé (80μm de large et 400μm de haut) et des zigzag (Fig.1.6a). L’angle de chaque élément de mélange (zig et zag) ainsi que la concentration en bille sont étudiés, les efficacités de mélange et de couplage obtenues sont proches de 100%.

Un design utilisant des serpentins à deux niveaux, rappelant les plis et villosités d’un intestin (Fig.1.6b), est proposé par Junget al.pour mélanger des microbilles magnétiques (2.8μm de diamètre), des pathogènes (E. Coli, Staphylocoque doré et Salmonelle) et des nanoparticules d’or (30 nm de diamètre) [52]. Une séparation magnétique ainsi qu’une détection de code bar d’ADN porté par les nanoparticules suivent. Seule l’efficacité de capture a été étudiée en fonction du débit, elle est dépendante de l’efficacité de mélange et peut atteindre 100% pour des débits faibles (4μL h⁻¹). Il est indiqué qu’un mélange total est obtenu après seulement 1/4 du mélangeur, même à haut débit (5 mL h⁻¹) mais la caractérisation proposée (couleur uniforme) ne permet pas de donner d’indication sur l’avancement de la réaction de marquage.

La méthode de "séparations et recombinaisons", autrement appelée laminage, est astucieuse et adaptée à la microfluidique. Si l’on regarde les profils de concentration sur une section droite de canal en entrée et en sortie de dispositif, le laminage correspond le plus souvent à la "transformation du boulanger". En supposant que l’on mélange deux composés, un front de diffusion sera observé en entrée, et étant donné que l’opération de mélange consiste à

FIGURE1.6 – a) Dispositif de mélange utilisant des vortex de Taylor-Görtler [51]. b) Système de détection de pathogène utilisant un étage de mélange intégré à base de serpentins structurés en forme d’intestin [52].

FIGURE1.7 – Principe du laminage. a) Séparation des flux dès l’injection (nombre de fronts de diffusion déterminé) [47]. b) Structure proposée par Tanet al.[53] et étudiée numérique-ment par P. Carrière (illustration P. Carrière [54]). c) Principe des séparations-recombinaisons (transformation du boulanger) avec nombre de couches et profils de concentration [47].

dupliquer en séparant et juxtaposant les flux, deux fronts seront obtenus en sortie¹(voir Fig.

1.7). Après n unités de mélange, on obtient donc 2ⁿfronts de diffusion. La distance entre deux fronts de diffusion diminue donc exponentiellement alors que la différence de pression (due à chaque étage) évolue linéairement [53].

P. Carrière étudie numériquement la transformée du boulanger pour obtenir plus d’infor-mations sur l’écoulement et simplifier le travail de caractérisation de systèmes réels [54].

Un écoulement rampant est considéré, les résultats montrent que les "couches" (fronts de diffusion) obtenues par simulation sont proches du modèle théorique de la transformée. Une observation est que des régions non chaotiques (diminuant l’efficacité du mélange) pourraient exister dans les angles (opposés) du système. D’une part ces régions sont a priori associées à la géométrie employée (section carrée), d’autre part une solution proposée est d’alterner le sens de rotation des unités de mélange placées en série.

Ces dispositifs présentent cependant une difficulté de réalisation : le laminage nécessite l’accès à la troisième dimension. On trouve dans la littérature des systèmes en PDMS (plusieurs couches fines de PDMS sont alignées et empilées). Dès 2005, Tanet al.proposent un système de mélange de cellules et billes magnétiques intégré à une séparation magnétique (avec un aimant permanent). La géométrie décrite (Fig.1.8a), avec des rotations du flux à 180˚, prend en compte la sédimentation des particules magnétiques qui sont en général assez lourdes (il est courant de travailler avec des particules de densité 2), ainsi que celle des cellules. La sédimentation peut paraître un détail mais se révèle importante : en sortie du dispositif (après

1. Cela est comparable à l’action d’un boulanger qui pétrit une pâte : en l’étirant d’abord puis en la repliant sur elle-même, d’où le nom de cette transformée.

mélangeur et séparation magnétique), 42.2% des cellules non marquées sont récupérées (45.7

% pour un mélangeur qui est un canal droit), et ce taux de recouvrement descend à 29.4%

pour des cellules marquées - entourées de billes magnétiques - (3.4 % dans un canal droit).

Cette étude montre donc que le laminage avec cette géométrie, en plus de mélanger, permet d’éviter des phénomènes de sédimentation non souhaités. En revanche la technologie utilisée impose des tailles de canaux relativement grandes : 200μm de large, un étage de mélange mesurant 700μm de long et 600μm de haut.

D’autres études publiées beaucoup plus récemment se consacrent toujours aux dispositifs de séparation-recombinaison. Sadabadiet al.montrent comment obtenir (à partir d’un seul étage) des taux de mélange, mesurés avec des fluorophores et une réaction acido-basique, de 80 et 85% pour des flux inférieurs à 15 et 40μL min⁻¹respectivement [55]. En revanche les dimensions de l’étage de mélange (Fig.1.8b) sont assez grandes également (et limitées par l’alignement de couches de PDMS de 80μm d’épaisseur, une marge d’erreur de 15μm a été prévue).

Une approche originale qui permet de s’affranchir de canaux en "3D"¹ est proposée par Yasui et al.[56]. La transformée du boulanger est, dans cette publication, réalisée avec un dispositif "2.5D", qui ne nécessite pas d’alignements (Fig.1.8c). Les efficacités de mélanges (moléculaires) de fluorescéine ainsi que d’anticorps, après 1 cm de mélangeur, atteignent 100% en environ 50 et 300 ms respectivement.

Des systèmes sont aussi réalisés avec les techniques d’usinage habituelles, comme ceux que Neerincxet al.proposent en 2011 [57]. Un design permettant de réaliser 24 opérations de séparation-recombinaison de flux en un seul étage est proposé (Fig.1.9a). Cependant, bien qu’intéressantes pour le mélange et présentant de faibles pertes de charge, ces structures restent de tailles millimétriques et donc non intégrables dans un microsystème.

Enfin d’autres techniques de microfabrication sont utilisées pour réaliser des structures de séparation-recombinaison : Liaoet al.montrent la réalisation de dispositifs semblables à ceux décrits par P. Carrière, mais à section circulaire, avec une technique d’écriture directe par laser femtoseconde [58], voir Fig.1.9b). Il est montré (étude numérique et expérimentale) que l’efficacité de mélange est supérieure à celle d’un canal droit (simple diffusion), avec Re = 5.3.

Dans cette partie "Tri cellulaire et mélange", nous avons exposé un grand nombre de tech-niques de séparations (actives et passives), ainsi que l’importante diversité de systèmes exis-tant pour le mélange de particules ou cellules. Le mélange est considéré essentiellement comme une étape de préparation de l’échantillon, qu’il est possible d’intégrer avec un étage de séparation. Il est clair que l’apport de la 3D offre plus de liberté en terme de design, mais se reflète également sur l’efficacité des mélanges. La majorité des systèmes présentés utilisent le PDMS, très présent dans la communauté microfluidique. La partie suivante introduit les différents procédés permettant d’obtenir des canalisations en trois dimensions.

1. 3D telle que définie dans le paragraphe1.3.3.

FIGURE1.8 – Dispositifs de mélange par laminage en PDMS. a) Tanet al.proposent une suite de mélangeurs basés sur la transformation du boulanger [53]. b) Dispositif à un seul niveau, en PDMS, de Yasuiet al.[56]. c) Mélangeur (un seul étage) à 3 niveaux de PDMS, étudié par Sadabadiet al.Les images de microscopie représentent les flux pour 400μL min⁻¹(gauche) et 40μL min⁻¹(droite) [55].

FIGURE1.9 – Technologies de fabrication moins conventionnelles pour le micromélange. a) Dispositif réalisé par usinage (Neerincxet al.) [57]. b) Microsystème de Liaoet al.obtenu par écriture laser directe [58].