Modifications de surfaces et intégration de MEMS pour les laboratoires sur puce
La microfluidique 1
La microfluidique est une science encore très jeune, et peut être définie de différentes manières. Selon P. Tabeling [Tabeling, 2003], « on peut définir la microfluidique comme [une discipline] portant sur les écoulements de fluides simples ou complexes, mono ou multiphasiques, dans des microsystèmes artificiels, c’est-à-dire fabriqués à l’aide des nouvelles technologies 1 « . Georges M. Whitesides, dans son article intitulé « les origines et le futur de la microfluidique »[Whitesides, 2006], définit la microfluidique comme « la science et la technologie des systèmes qui manipulent des petites quantités de fluides (10−9 à 10−18 litres) dans des canaux ayant des dimensions de plusieurs dizaines de microns. » Cette définition fait bien apparaître la dualité de la microfluidique qui, en tant que science, englobe la physique des fluides et l’étude des phénomènes à l’échelle micrométrique et qui, en tant que technologie, contient également une dimension applicative. Tabeling donne quant à lui une définition d’ingénieur qui, comme il le souligne lui-même, exclut l’ensemble des systèmes microfluidiques naturels, tels que les capillaires sanguins ou le transport de sève dans les plantes. On peut définir plus largement la microfluidique comme la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l’une des dimensions caractéristiques est de l’ordre du micromètre. C’est une science interdisciplinaire où l’ingénierie, la physique, la chimie et les biotechnologies cohabitent pour fournir de nombreuses applications dans les domaines de l’analyse biologique et chimique. Les premières études expérimentales datent d’il y a plus de 150 ans, dans lesquelles le médecin Jean-Louis Marie Poiseuille, s’intéressant à la circulation sanguine, réussit l’exploit de mesurer des débits de fluides visqueux dans des capillaires en verre d’environ 10µm de diamètre [Poiseuille, 1846]. Il est ainsi considéré comme le pionnier de la microfluidique.Puis la manipulation de fluides à l’échelle microfluidique a connu un essor certain avec l’apparition de la microélectronique puis des MEMS (Micro Electro Mecanical System) dans les années 1950-60. De nombreux dispositifs fluidiques réalisant les actions élémentaires de leurs homologues électriques virent le jour. Le but était de concevoir des ordinateurs alimentés pneumatiquement, sans électricité. Mais le véritable engouement que connaît la microfluidique date de la fin des années 90, avec l’apparition de la première puce microfluidique fabriquée en creusant les canaux dans un élastomère de façon très peu coûteuse [Manz et al., 1990] et réalisant la miniaturisation d’une technique classique d’analyse : la chromatographie en phase liquide. Le haut pouvoir d’intégration de toutes les étapes élémentaires réalisées dans un laboratoire (séparation, ménage, synthèse, détection..) rendent possible le concept de laboratoire sur puce et l’application de la microfluidique dans le domaine biomédical et l’analyse chimique. C’est un domaine actuellement en pleine expansion, autant sur le plan académique qu’industriel, et qui commence à tenir ses promesses de miniaturisation, de haut débit et de meilleur rendement. Les laboratoires sur puces sont plus attractifs que leur homologues macroscopiques pour plusieurs raisons. En réduisant les volumes de réactifs, ils rendent l’analyse moins chère, plus rapide, et meilleure pour l’environnement. La microfluidique dans le domaine de la recherche est particulièrement dynamique. Plusieurs ouvrages traitant de ce sujet ont vu le jour : entre autres [Heller and Guttman, 2001], [Tabeling, 2003] et [Colin, 2004]. Des conférences (MicroTAS, IEEE, MSB) se sont positionnées en spécialistes de la microfluidique, ainsi que plusieurs journaux, comme Lab on Chip, journal de référence des laboratoires sur puces, Sensors and Actuators, dont la vocation a toujours été de traiter des capteurs et actuateurs, et qui depuis la miniaturisation de ces systèmes s’est aussi spécialisé dans les Micro Electro Mecanical Systems (ou MEMS), et enfin Analytical Chemistry et Electrophoresis qui sont des portails offrant une grande visibilité à la miniaturisation des mesures analytiques et des méthodes de séparation. Notons aussi que les articles de review, qui se comptaient sur les doigts de la main au début de ma thèse [Auroux et al., 2002],[Reyes et al., 2002] se comptent aujourd’hui par centaines [Dittrich and Manz, 2006]. Ce mémoire est composé de trois parties donnant chacune des réponses à des besoins différents de la microfluidique. La première partie décrit l’importance des traitements de surfaces dans les systèmes microfluidiques et fera l’objet du développement de modifications de surfaces pour les puces microfluidiques pour deux matériaux plastiques différents. Dans un premier temps c’est le matériau le plus couramment utilisé pour les puces microfluidiques (le PDMS) qui sera traité. L’enjeu de la modification de surface du PDMS est d’obtenir un revêtement stable dans le temps. Puis nous verrons un polymère qui commence depuis peu à être utilisé en microfluidique, le COC, et qui a la particularité d’être chimiquement assez inerte.
La mise en œuvre : la lithographie « douce »
Les matériaux Les matériaux de la microélectronique, comme le silicium, furent les premiers support de la microfluidique. Mais ces matériaux, très couteux et difficiles d’usinage, rendaient la microfabrication longue et à un prix qui la confinait à quelques laboratoires. L’apparition des puces fabriquées en polymère [Duffy et al., 1998] a pour ainsi dire démocratisé la microfluidique. Ainsi la lithographie « douce » s’est substituée aux techniques dites « dures ». Au delà de la diminution du prix de la puce, les polymères ont l’avantage de ne pas nécessiter des traitements chimiques lourds (comme la gravure au HF), et sont adaptés aux techniques de production de masse. Un grand nombre de polymères est utilisé, laissant le choix à une vaste gamme de propriétés physico-chimiques. Le choix du polymère se fait selon ses propriétés mécaniques, ses caractéristiques optiques, sa stabilité vis-à-vis des solvants et espèces chimiques comme les acides ou les bases. Il existe une température de transition vitreuse, la Tg, en dessous de laquelle les polymères passent à l’état solide. Cette propriété est utilisée dans les procédés de fabrication : le polymère est chauffé au dessus de sa Tg, moulé, et garde la forme imposée après son refroidissement. On peut classer les polymères en 3 catégories, suivant leurs propriétés thermomécaniques, qui sont déterminées par le taux d’interconnexions entre les monomères, et la longueur des chaînes de monomères entre ces points d’interconnexion. Les interconnections peuvent être créées par réticulation, par des enchevêtrements et par des liaisons polaires Les thermoplastiques, dont les chaines de monomères ne sont pas liées entre elles, deviennent malléables au dessus de leur Tg et gardent la forme moulée quand ils sont refroidis. Les élastomères sont peu interconnectés, et supportent des très grandes déformations. Ces déformations dépendent du taux d’interconnexion entre les chaînes d’élastomère et peuvent atteindre plusieurs centaines de pourcents. Les élastomères se déforment de manière réversible, sans subir de déformation plastique. Les thermodurcisseurs ont par contre beaucoup de liaisons entre leurs chaînes. Ils prennent la forme au premier passage en dessous de la Tg de manière irréversible. La photolithographie Le moule qui va déterminer le motif imprimé sur le polymère est obtenu par lithographie. Elle consiste à reproduire un dessin original sur la surface d’un matériau solide, comme un wafer de silicium ou une lame de verre. Cette lithographie se fait le plus généralement par photolithographie. Les étapes de cette technique sont schématisées figure 1.1. Cette technique consiste à étaler une couche d’épaisseur contrôlée, typiquement de 1 à 100µm, d’une résine photosensible sur le wafer ou la lame de verre. Cette fine couche de résine est illuminée aux UV à travers un masque représentant le motif. La résine réticule aux endroits éclairés et une étape de développement enlève la partie non réticulée, laissant apparaître le motif des microcanaux en surface sur le wafer (résine négative) ou gravé dans la surface de résine (photolithographie positive). On obtient ce qu’on appelle un master. La méthode d’étalement de la résine est le « spincoating », ou étalement par centrifugation, mais elle peut aussi se faire par lamination. Dans le cas de la lamination, la résine est mise au contact du substrat grâce à un laminateur qui presse un film d’épaisseur donnée et constante sur le substrat [Paul et al., 2007]. Cette technique présente l’avantage d’être plus facile à mettre en œuvre que le « spincoating », mais l’épaisseur de la résine est fixée par le fabricant. Dans le cas du « spincoating », l’épaisseur des motifs sur le wafer varie de manière continue entre 1 et 100 µm. La viscosité de la résine et la vitesse de « spincoating » (typiquement 1000 à 3000 tours par minutes) sont les facteurs qui déterminent l’épaisseur de la résine. La résine en excès est placée sur le wafer, lui même placé sur un support rotatif. La rotation du support entraîne l’étalement de la goutte, et l’évaporation d’une partie du solvant de la résine. Pendant la rotation du support, l’épaisseur diminue jusqu’à l’établissement d’un équilibre entre les forces visqueuses de la résine et l’évaporation de son solvant. L’excès de solvant est enlevé avant l’exposition aux UV par chauffage du wafer à haute température (900C) La réplication du master Il existe plusieurs méthodes de réplication du master : le hot embossing [Qi et al., 2002], le moulage par injection [Dang et al., 2005] et le moulage simple [Duffy et al., 1998]. Le hot embossing consiste à chauffer le master et la plaque de polymère juste au dessus de sa température de transition vitreuse qui est typiquement comprise entre 500C et 1500C sous vide, pour éviter la formation de bulles d’air et de les mettre en contact avec une force contrôlée (typiquement de l’ordre de 0.5-2kN/cm2 ). Toujours en appliquant cette force la température est ramenée en dessous de la Tg. La séparation du master et du substrat constitue une phase critique. Cette technique convient tout particulièrement aux thermodurcisseurs et aux thermoplastiques qui garderont l’empreinte du motif sur leur surface. Le moulage par injection est la technique la plus répandue dans le monde macroscopique pour l’usinage des plastiques. Il consiste à faire fondre des granulés de polymères en les portant à une température plus haute que la Tg, et qui est typiquement comprise entre 150 0C et 4000C, à les injecter à l’aide d’une haute pression contre le master, puis à refroidir le système en dessous de la Tg. Tout comme le hot embossing cette technique peut être appliquée aux thermoplastiques et aux thermodurcisseurs. Mais si son temps de cycle est plus court (0.3 à 3 min contre 3 à 10 min) et son automatisation plus facile à mettre en œuvre, les motifs crées ont une taille qui ne descend pas en dessous en 10µm, contre quelques nanomètres pour le hot embossing. Dans les deux cas, les microstructures ainsi obtenues sont renfermées sur une surface plate de polymère par lamination [Paul et al., 2007] dans le même principe que ce que nous avons présenté pour la fabrication des masters, par application d’une force, de chaleur ou par collage avec une colle [Ekström et al., 1991]. La technique la plus utilisée dans le monde académique et que j’ai utilisé pendant ma thèse est le moulage, qui consiste à couler directement sur le moule un élastomère avec une portion de réticulant. Le réticulant va faire réticuler l’élastomère et donc le faire durcir, cette réaction étant souvent accélérée par une augmentation de température. Après réticulation, l’élastomère est facilement décollé du moule et peut être simplement mis en contact avec une surface plane, qui peut être en verre ou en élastomère « spincoaté ». Une activation préalable avec un plasma permet de rendre la fermeture du canal irréversible. Les connections sont créées en perçant des trous à l’aide d’un poinçon et en y insérant des tubes de diamètre calibré. Le faible module élastique de l’élastomère permet de créer ainsi un joint étanche. En particulier, le PDMS convient tout particulièrement aux microtechnologies, de par sa facilité de mise en œuvre et ses très bonnes qualités optiques. Il est en effet transparent aux longueurs d’ondes supérieures à 230 nm et peu autofluorescent [Effenhauser et al., 1997]. De plus, le PDMS est très poreux aux gaz ce qui rend possible le contrôle de la composition gazeuse à l’intérieur de la puce, très important dans certaines applications comme la culture cellulaire [Folch et al., 2000]. Notons aussi que son faible module d’élasticité fait qu’il se déforme aux hautes pressions [Gervais et al., 2006].
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