Quels polymères stimulables pour des micro-vannes ?

Pour réaliser une micro-vanne à hydrogel, il faut des hydrogels sensibles à un stimulus contrôlable depuis l’extérieur du système (comme la température, un champ électrique ou une onde lumineuse) ou bien caractéristique du milieu en écoulement dans la puce (comme le pH).

3 Une nouvelle approche pour les vannes à hydrogel

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D’autres contraintes, fixées par la microfluidique, doivent être respectées par les hydrogels et donc par les polymères. Nous allons décrire ces contraintes, puis nous présenterons une sélection de polymères qui répondent à ces contraintes et qui sont de bons candidats pour notre projet.

3.2.1 Cahier des charges microfluidique

Pour réaliser une micro-vanne à base de films minces d’hydrogel selon notre nouvelle approche, il faut que l’épaisseur du gel à l’état gonflé soit suffisamment grande pour obstruer totalement le micro-canal. Parallèlement, l’épaisseur du gel effondré doit permettre un écoulement satisfaisant (voir figure 11). En d’autres termes, l’amplitude du changement de volume doit être importante. Un rapport 3 semble être le minimum (voir chapitre 3).

Pour réaliser plusieurs vannes sur une même puce, il est impératif de pouvoir réaliser des dépôts localisés d’hydrogels. Cette contrainte limite le nombre de voies de synthèse utilisables pour la micro-fabrication de micro-puces.

En résumé, les hydrogels que l’on recherche doivent satisfaire les 3 conditions suivantes : - l’hydrogel doit être stimulable ;

- la variation d’épaisseur du film d’hydrogel avec le stimulus doit être au moins du simple au triple entre l’état gonflé et l’état collapsé ;

- l’hydrogel doit pouvoir être greffé de façon localisée (en motifs).

Ces trois conditions contraignent les choix possibles sur la nature chimique des polymères employés ainsi que sur les méthodes de synthèses des films minces utilisées. Dans un premier temps nous allons présenter une sélection de polymères qui peuvent répondre à ces contraintes, puis nous discuterons du choix de la méthode de synthèse de films minces.

Chapitre 1 : Introduction

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3.2.2 Polymères thermo-stimulables

Pour obtenir des hydrogels thermo-stimulables, le pNIPAM est couramment employé. Ce polymère est connu pour avoir une température critique inférieure de solubilité (LCST, Lower Critical Solution Temperature) autour de 32°C en milieu aqueu [21]. Quand la température est inférieure à la LCST le polymère est gonflé par des molécules d’eau qui forment des liaisons hydrogène avec le pNIPAM. Lorsque la température est au-dessus de la LCST, le polymère devient hydrophobe et se recroqueville du fait de la rupture des liaisons hydrogène eau-polymère. Les films d’hydrogels obtenus avec ce polymère présentent donc une transition de phase gonflement/dégonflement autour de la LCST par absorption/éjection d’eau.

D’autres polymères peuvent être envisagés, pour changer la température d’ouverture/fermeture des vannes. Par exemple, des polymères à LCST plus elevées, comme le poly(N-isopropylmethacrylamide) et le poly(N,N-méthacrylate de diméthylaminoéthyle) (pNIPMAM et pMADAME), sont intéressants pour développer des applications où les vannes doivent être fermées à une température supérieure à 32°C. Les LCST de ces polymères sont, d’après la littérature, d’environ 40°C [39, 40] et 50°C [41] respectivement.

Ces différents polymères à LCST utilisés dans notre approche permettront la réalisation de vannes normalement fermées : quand la puce sera à température ambiante, l’hydrogel sera gonflé et la vanne fermée. Pour obtenir l’ouverture de la vanne, il faudra fournir de l’énergie thermique pour dépasser la température critique.

Les polymères à température critique supérieure de solubilité (UCST, Upper Critical Solution Temperature) ont un comportement opposé : à basse température ils sont effondrés, ils gonflent lorsque la température devient supérieure à la UCST [42]. Des vannes normalement fermées, mais dont l’ouverture serait cette fois déclenchée en refroidissant la puce, peuvent être réalisées avec des polymères à UCST inférieures à la température ambiante. Des polymères avec une UCST supérieure à la température ambiante peuvent être employés pour réaliser des vannes thermosensibles normalement ouvertes.

3 Une nouvelle approche pour les vannes à hydrogel

 

Seuring et Agarwal ont récemment montré que le poly(méthacrylamide) (pMA) présentait une transition de solubilité dans l’eau à une UCST de 6°C [43]. De façon très intéressante, l’UCST peut être modifié par copolymérisation avec de l’acrylonitrile (pCN). Selon la composition du p(MA-co-CN) l’UCST peut varier entre 6 et 60°C. Une approche similaire développée par Woodfield et al. permet d’obtenir des copolymères à base de sulfobétaïne avec des UCST comprises entre 6 et 82°C [44]. De nombreux polyzwitterions (comme la sulfobétaïne) présentent une UCST, mais contrairement au p(MA-co-CN), la UCST est affectée par la force ionique de la solution [42].

Le tableau 2 dresse un récapitulatif des polymères envisageables (et de leurs propriétés thermiques) pour réaliser des vannes à hydrogel thermosensibles. La grande variété des réponses thermiques permet d’adapter l’actionnement des vannes aux applications auxquelles une micro-puce est destinée.

pNIPAM pNIPMAM pMADAME p(MA-co-CN)

LCST ~ 32°C LCST ~ 40°C LCST ~ 50°C UCST ~ 6-60°C

 

3.2.3 Polyélectrolytes sensibles au pH et au champ électrique

Les vannes à hydrogels développées par l’équipe de Beebe utilisaient le poly(acide acrylique) (pAA) comme polymère sensible au pH [25].

Les gels de polyélectrolytes sont gonflés par la pression osmotique exercée par les contre-ions dissociés et confinés dans la couche de gel pour assurer l’électroneutralité. Le pAA

Chapitre 1 : Introduction



est un polyélectrolyte portant un nombre de charges électriques dépendant du pH sous la forme de groupes anioniques carboxylates (pKa ~ 5,1 [45]). Le gonflement du pAA est ainsi dépendant du pH.

L’utilisation de polyélectrolytes dans notre géométrie devrait aussi permettre l’élaboration de vannes activables par un champ électrique, en plaçant le film entre deux électrodes. L’application d’un champ électrique pourrait avoir pour effet de déplacer les contre-ions hors du gel ce qui diminue la pression osmotique et donc le gonflement. Pour réaliser de telles vannes, il est préférable d’avoir un polyélectrolyte fort, ionisé sur une plus large gamme de pH et quelle que soit la force ionique du milieu [46, 47]. Par exemple, le poly(sodium 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonate) (pAMPS, pKa ~ 0,4) est un bon candidat. Des polyélectrolytes cationiques forts peuvent aussi être envisagés comme le poly(2-(methacryloyloxy)ethyl-trimethyl-ammonium chloride) (pMAETAC, pKa ~ 9,4 [48]).

Le tableau 3 dresse un récapitulatif des polymères envisageables pour réaliser des vannes à hydrogel électro-activables.

pAA pAMPS pMAETAC

pKa ~ 5,1 pKa ~ 0,4 pKa ~ 9,4



L’étape préalable à la micro-fabrication de la puce est la synthèse de films minces de ces polymères stimulables. Les différentes synthèses envisageables sont présentées ci-dessous.

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