Les bobines spirales sont constituées de deux étages de pistes conductrices (fils à section carrée de 5μm de large), avec une connexion centrale entre ces deux plans. L’intérêt d’un enroulement est que le champ magnétique produit par chaque spire s’additionne de manière constructive : une bobine peut générer un champ et un gradient de champ magnétique suffisamment élevés pour appliquer des forces conséquentes. Les géométries classiques sont les bobines rectangulaires ou circulaires, les designs retenus pour ces travaux font intervenir des bobines spirales carrées, dont les pics d’intensité de force magnétique sont plus localisés au centre et sur les diagonales, et qui sont plus appropriées pour une intégration avec des canalisations rectangulaires.
3.3.1 Tri vertical
Certains types de capteurs nécessitent d’être en grande proximité ou en contact des objets analysés, c’est le cas pour les mesures d’impédance (basses et hautes fréquences). Pour réaliser un test immunologique visant à immobiliser et compter des cellules particulières, ces cellules doivent se trouver à quelques nanomètres des électrodes fonctionnalisées afin de se lier aux anticorps (ou autres éléments d’affinité) et d’obtenir un signal. Être capable d’attirer les cellules au plus proche de la surface des électrodes apporterait une amélioration de l’efficacité du capteur. Une méthode pour y parvenir est d’utiliser des microbilles magnétiques pour marquer les cellules, et disposer un actionneur sous les électrodes. Une fois la surface du capteur saturée, l’actionnement doit pouvoir s’arrêter afin de rincer et d’effectuer la détection.
Les bobines spirales planaires génèrent un gradient efficace intense selon l’axe vertical ˆz, ce qui en fait des actionneurs de choix pour appliquer une force d’attraction sur des particules pour les diriger vers le fond d’un canal microfluidique, où un capteur peut être placé.
Un exemple d’application biologique est la séparation et le comptage de monocytes sanguins : ceux ci présentent tous une affinité pour les anticorps CD14, et a priori seuls les monocytes intermédiaires et non classiques possèdent une affinité pour les anticorps CD16 (voir section 1.3.6). Un premier tri doit être effectué pour séparer les monocytes du reste du sang, et une seconde étape de détection doit avoir lieu pour le comptage des deux sous populations.
Un dispositif constitué d’une série de bobines spirales pour le tri vertical, puis d’autres bobines pour l’attraction vers les capteurs serait une solution, la Fig.3.10a) illustre ce principe de fonctionnement. Un échantillon (sang ou couche leucocytaire) dont les monocytes ont été
FIGURE3.10 – Séparation magnétique verticale. a) Schéma des bobines spirales carrées à 10 tours employées (gauche), et du principe de séparation verticale (droite). b) Gradient efficace du champ magnétiqueGen fonction dexety, à une altitudez=10μm dans la canalisation.
c) Force magnétique appliquée sur une particule au centre d’une bobine (y=0) en fonction dexpour différentes altitudesz=5 à 40μm. L’intensité parcourant les bobines est de 100 mA.
marqués par des billes magnétiques est introduit dans un canal supérieur. Les billes marquées sont dirigées vers le bas de ce canal dans un premier temps, puis sont attirées au travers d’une ouverture vers un canal inférieur, où un tampon est injecté. Les monocytes marqués se retrouvent donc dans le canal du bas, les autres cellules restant dans le canal supérieur.
La couche polymère de séparation entre les deux canaux évite entre autres la sédimentation non souhaitée des cellules (marquées ou non). Les Fig.3.10b) et c) indiquent les gradients efficaces de champ magnétique et les force associées sur des particules M-450,Fz atteignant plus de 100 pN à une altitude de 10μm et pour une intensité de 100 mA.
Lors de travaux précédents (S. Cargou [7]), un tel dispositif avait été réalisé et caractérisé, basé sur un substrat en silicium et sur de la résine SU-8. Une approche similaire a été adoptée, en choisissant d’intégrer les étapes de mélange / marquage décrites dans le chapitre précédent,
et en faisant évoluer les procédés technologique pour être basés sur un substrat de verre et des films secs type DF. Des résultats précédents sont rappelés Fig.3.12a) et b). La fonction de piégeage de monocytes marqués par des billes (similaires aux M-450) fonctionnalisées CD14 a été validée (a). De même pour des billes magnétiques seules, les fonctions de piégeage et de séparation verticale ont été validées pour des vitesses moyennes maximales du liquide de l’ordre de 1 et 3 mm s−1respectivement (intensité de 100 mA).
Pour les nouveaux dispositifs, seuls des tests de remplissage (éthanol et eau DI), et de fonc-tionnement des bobines (caractérisation électrique) ont été réalisés. L’essentiel des résultats concerne donc le procédé technologique (voir la partie3.4), qui a permis de produire une structure fonctionnelle. Une telle architecture de tri vertical peut sembler complexe mais rend possible d’une part le contrôle avec précision de l’aiguillage de cellules marquées vers les capteurs, ainsi que l’attraction localisée au-dessus des électrodes. D’autre part elle procure une flexibilité importante dans la mesure ou des aimants permanents ne sont pas nécessaires : les canaux et bobines peuvent être placés librement sur toute la surface de la puce.
3.3.2 Système d’aiguillage (hybride)
Étant donnés les forts gradients de champ magnétique que peuvent produire des bobines spirales, il est judicieux de pouvoir les associer avec des aimants permanents, malgré les contraintes de design. Des champs magnétiques et des gradients élevés génèrent ensemble des forces importantes.
En combinant la même structure de bobines spirales que précédemment avec des aimants permanents, on se rapporte au système hybride, et des fonctions de tri horizontal sont déve-loppées. La Fig.3.11a) montre le principe d’un tel dispositif : des billes magnétiques injectées dans un canal peuvent être dirigées de manière préférentielle d’un côté du canal tout en étant attirées vers le bas du canal. On obtient alors un aiguilleur, qui selon la polarité choisie place des billes d’un côté ou de l’autre (selon ˆx), et à des altitudes faibles.
La Fig.3.11b) et c) regroupent les gradients de champ et forces magnétiques appliquées sur des particules M-450. À 10μm d’altitude et avec une intensité de 100 mA, on arrive à produire une forceFx de 215 pN au centre de la bobine, ce qui est la valeur maximale obtenue en comparaison de tous les systèmes présentés !
Cette approche a été validée en injectant des billes fluorescentes (Spherotech, 8.4μm) et en observant leur déviation par une bobine spirale alimentée par un courant de 50 mA (avec un écartement entre aimants deΔx=35 mm). Comme précédemment, le suivi de trajectoires a été effectué manuellement. Des particules se déplaçant à des vitesses d’environ 1 mm s−1 ont été déviées et/ou piégées (voir3.12c). En revanche la déviation observée pour d’autres particules n’est pas totale (partie basse du canal sur la figure). D’autres expériences à des intensités plus élevées permettront d’étudier plus en détail et de confirmer les propriétés de cet aiguilleur contrôlable.
Une seule configuration d’aimants (en face à face, magnétisés selon l’axe ˆx) a été étudiée dans
FIGURE3.11 – Séparation magnétique hybride horizontale. a) Schéma du principe de sépara-tion horizontale. b) Gradient efficace du champ magnétiqueGen fonction dexety, à une altitudez=10μm dans la canalisation. c) Force magnétique appliquée sur une particule au centre d’une bobine (y=0) en fonction dexpour différentes altitudesz=5 à 40μm. L’intensité parcourant les bobines est de 100 mA et l’écartement entre aimants deΔx=35 mm.
FIGURE3.12 – Résultats expérimentaux pour les systèmes à bobines spirales. a-b)Rappelde résultats obtenus lors de travaux de thèse précédents (S. Cargou [7]). a) Piégeage de monocytes marqués (en fluorescence et par des billes magnétiques) sur une bobine (canalisation de 25μm de hauteur, vitesse moyenne d’écoulement de 200μm s−1, et intensité de 100 mA). b) Étude du piégeage et de la séparation verticale de billes magnétiques en fonction du débit. c) Extraction de trajectoires (suivi de particules manuel) pour le système de séparation horizontale hybride.
L’intensité parcourant les bobines est de 50 mA. L’intervalle de temps entre deux images successives estΔt=50 ms.
ces travaux. Il est possible, en orientant par exemple l’aimantation vers l’axe ˆz, ou en choisis-sant d’utiliser un nombre plus important d’aimants permanents, de proposer des fonctions supplémentaires en gardant les mêmes bobines et puces microfluidiques. On pourrait ainsi envisager une version amplifiée du tri vertical, des pièges plus efficaces, et de nombreuses autres opérations.