B Une vanne microfluidique

Afin d’accélérer le processus, nous ne souhaitons pas modifier à chaque transfert la pression dans l’ensemble du train (ce qui prend quelques secondes). De plus, nous souhaiterions pouvoir rendre nos tuyaux indépendants afin de pouvoir générer un nouveau train ou encore nettoyer le tuyau sans affecter la manipulation de l’autre train dans l’autre tuyau. Pour cela nous avons développé un canal de transfert en polydiméthylsiloxane (PDMS) qui joue le rôle de vanne pneumatique microfluidique à la manière d’une valve de Quake [95] (figure V-3). Le canal microfluidique (de section cylindrique, rayon rc = 25µm, longueur 2mm) reliant les deux tuyaux est en élastomère, nous pouvons donc le comprimer pour modifier localement son rayon jusqu’à le fermer complètement. La pression permettant la fermeture du canal est appliquée dans deux cavités se trouvant de part et d’autre du canal. Ces cavités sont des cylindres de rayon 500µm et dont l’extrémité du cylindre se trouve à moins de 50µm du canal. Une pression de 1bar appliquée dans ces deux cavités permet de fermer le canal en moins d’une centaine de milliseconde, tandis que le relâchement de la pression prend actuellement environ 200ms.

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Figure V-3 : (a) schéma d’un bloc de transfert moulé en PDMS. Il est placé entre deux tuyaux (d’où la forme concave des

surface du bas et du haut). Les cavités cylindriques sont de part et d’autre du canal. Quand elles ne sont pas préssurisées le canal ets ouvert, quand elles le sont, le PDMS se déforme et ferme le canal. (b-c) photographie du bloc de transfert fixé sur deux tuyaux, en position ouverte (b) et fermée (c) (photographies A. S. Chaurasia)

Dans ces conditions, nous maintenons une différence de pression ΔPI =100mbar > ΔPtransfert. Nous choisissons les gouttes donneuses et receveuses et nous n’avons qu’à ouvrir le canal pour transférer un volume d’une goutte vers une autre. Nous bougeons ensuite légèrement la goutte donneuse afin de libérer la jonction I, puis nous fermons le canal après avoir poussé les reliquats de gouttes avec un flux de phase continue vers la goutte receveuse. Le débit de milieu provenant de la goutte donneuse est de l’ordre de 0.2µL/s pour notre système, nous pouvons contrôler le volume transféré en ouvrant plus ou moins longtemps la vanne. La manipulation des gouttes, assurée par la différence de pression appliquée aux extrémités des tuyaux, est contrôlée par analyse dynamique d’images de la jonction I pour suivre précisément la position des gouttes, la taille des tuyaux nous permet en effet, d’avoir une excellente réactivité du train de gouttes (quelques centaines de millisecondes) autorisant une manipulation précise en vitesse et en position des gouttes. C’est la seule méthode qui nous permette de réellement contrôler notre train de gouttes en vitesse et en position, ce qui est tout à fait nouveau dans les microsystèmes. Pour la première fois, des gouttes peuvent être finement contrôlées et nous travaillons à rendre notre système plus robuste et plus rapide pour pouvoir significativement augmenter le nombre de gouttes manipulables. Pour des gouttes de 10µL, si nous souhaitons effectuer un transfert de 1% de la population (soit 100nL), toutes les opérations de manipulation des gouttes et de transfert peuvent ainsi se faire actuellement en deux secondes par goutte de manière robuste, et nous devrions faire passer cette durée en dessous de la seconde.

(a)

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La gravité influence notre train de gouttes à cette échelle et nous la mettons à profit dans nos transferts. Tout d’abord, par symétrie, le canal de transfert est disposé à l’horizontale : ses extrémités sont à la même hauteur. Nous générons des séparateurs d’air de petite taille afin qu’ils ne soient pas confinés par le bas et que le train soit moins compressible. Comme nous souhaitons ne pas transférer les séparateurs d’air, le canal de transfert est connecté à la partie inférieure des tuyaux, ainsi seule la phase continue est exposée à la jonction I (figure V-4).

(a) (b)

Figure V-4 : (a) schéma d’une vue de coupe du bloc de transfert. Le canal (ici ouvert) est connecté au bas des deux tuyaux

pour ne pas aspirer de bulles d’air. Les côtés des tuyaux ne sont pas recouverts de PDMS pour améliorer la détection et le suivi dynamique des gouttes. Les cavités pneumatiques ne sont pas représentées, elles sont perpendiculaires au plan de coupe, à l’avant et à l’arrière. (b) Photographie du bloc de transfert (vue de dessus filmée), avec canal de transfert au centre (ici en position fermée) des deux tuyaux contenant des trains de gouttes, en haut et en bas de la photographie, et des cavités pneumatiques, de part et d’autre du canal. La photographie du bas est traitée dynamiquement sous Python pour repérer et positionner les gouttes (photographie A. S. Chaurasia).

Les caractéristiques du canal (rayon, longueur) influencent le transfert, c’est-à-dire notre gamme de pression, le débit de fluide et la gamme de volumes que nous pouvons précisément transférer. Ces caractéristiques sont modulables grâce à notre procédé de fabrication. En effet, la taille caractéristique de notre système n’est pas non seulement pratique pour cultiver des populations et pour les faire évoluer ainsi que pour manipuler très rapidement des gouttes, mais il facilite aussi la conception des systèmes fluidiques. Le module de transfert est ainsi moulé dans un système tridimensionnel qui est un négatif de la forme des canaux et cavités que nous souhaitons obtenir. Ce moule est un assemblage complexe et très précis de tubes en PTFE, de fils métalliques calibrés et de pièces imprimées en 3D par extrusion. Ces pièces sont assemblées sous microscope pour former un moule dans lequel du PDMS non réticulé est injecté et réticulé à 60°C pendant une nuit. La surface du canal de transfert en PDMS (déjà hydrophobe) est ensuite traitée par silanisation pour la rendre plus hydrophobe ,afin d’éviter que le milieu transféré ne mouille la surface du canal).

Nous pouvons noter pour finir qu’il n’y a pas limite de volume transféré pour ce module de transfert. Le transfert va se faire goutte à goutte, celle-ci vont fusionner au fur et à mesure avec la goutte receveuse (figure V-5). Il est ainsi possible de transférer intégralement une goutte d’un train vers un autre et même de générer un train de gouttes à partir de ce module de transfert.

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Figure V-5 : Vue de dessus du bloc de transfert lors du transfert entre deux gouttes. Le tuyau du bas est à une pression plus

importante que le tuyau du haut. En ouvrant le canal de transfert, un flux de la goutte du bas (notée 5) est transféré vars la goutte du haut (notée 4). Une goutte se forme à la sortie du canal. Lorsque celle-ci coalesce avec la goutte receveuse, elle se détache du flux venant du canal de transfert. Le mélange de la goutte venant de coalescer avec la goutte receveuse peut se visualiser en colorant la goutte donneuse, nous pouvons ainsi voir un « champignon » coloré dans la goutte receveuse (photographie A. S. Chaurasia).

« champignon » coloré

correspondant à l’addition d’un échantillon de la goutte donneuse

Goutte formée en sortie du canal et n’ayant pas encore fusionné avec la goutte receveuse

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