Soutenance mémoire
Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études
LES DIFFERENTS PROCEDES DE MICROFABRICATION
Le développement de la microfluidique est indissociable de l‟utilisation des techniques de microfabrication : historiquement, la microfluidique, issue des technologies MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) ou microsystèmes, a fait ces premiers pas dans les années 90 (Manz et al., 1990). Principalement à base de silicium, les MEMS ont vu leur domaine d‟application s‟étendre aux systèmes fluidiques grâce notamment à la mise au point des méthodes de gravure profonde et de collage, permettant de réaliser des canaux dans un substrat puis de les refermer à l‟aide d‟un capot. Parallèlement aux techniques classiques de la microélectronique, sont apparues, à la fin des années 1990, des techniques dites « douces » permettant de réaliser des canaux dans des élastomères ou des plastiques (Becker et al., 1986).
Nous allons présenter les principales caractéristiques de ces deux techniques, en commençant par les techniques dites « dures ».
MICRO-CANAUX REALISES EN SILICIUM OU EN VERRE
Les procédés durs1 de fabrication développés en microélectronique, peuvent être employés pour l‟usinage du silicium ou du verre dans le but de réaliser des canalisations à deux dimensions destinées au transport d‟échantillon, au mélange, à la séparation, à l‟aiguillage de fluides sur une puce monolithique classique (Manz et al., 1990). Le procédé se résume en général, à la structuration de micro-canaux par gravure dans un substrat plan puis un report et assemblage d‟un capot qui permet la fermeture des canalisations et assure l‟étanchéité du système.
Deux méthodes permettent de graver le silicium ou le verre : par voie humide ou par voie sèche.
→ La gravure humide.
La gravure par voie humide se fait par attaque chimique en solution aqueuse. Par exemple, le silicium polycristallin est gravé par une solution partiellement diluée d‟acide fluorhydrique (HF) tamponnée par de l‟acide nitrique (HNO3). Suivant les concentrations de l‟espèce réactante, on étalonne les vitesses de gravure. Cette gravure peut se faire de manière isotrope (la couche est attaquée de façon équivalente suivant toutes les directions de l‟espace, figure 1.8(a)) ou bien anisotropique (ce sont les plans d‟orientations cristallographiques du silicium qui déterminent le profil de gravure, figure 1.8(b)). Dans le cas d‟une gravure isotrope, les solutions les plus couramment utilisées en fonction de la nature de la couche à graver sont les suivantes :
Silicium polycristallin : HNO3 + HF
Silicium monocristallin : N2H4 +H2O
Dioxyde de silicium : HF + NH4F +H2O
Nitrure de silicium : H3PO4
Pour réaliser une gravure anisotrope du silicium on utilise en général des solutions alcalines telles
que l‟hydroxyde de potassium (KOH) ou le tetrametyl ammonium hydroxide (TMAH), qui permettent de créer des motifs définis par les plans d‟orientations cristallographiques de ce matériau (Fruhauf and Kronert, 2005).
MICRO-CANAUX REALISES EN POLYMERE
D‟une manière générale, un polymère est une longue molécule constituée de monomères reliés entre eux par des liaisons covalentes. Le nombre de monomères est le degré de polymérisation, souvent compris entre 1000 et 100 000. Les polymères que l‟on trouve peuvent être naturels, semi-naturels (modification par voie chimique d‟un polymère naturel) ou bien entièrement synthétisés par une réaction de polymérisation. Ce procédé est provoqué par une substance initiatrice et/ou un changement des paramètres physiques (lumière, température, pression). Le comportement mécanique des polymères face à une modification des paramètres extérieurs (température, pression…) est régi par le type de liaisons existant entre les chaines. On distingue alors différents types de polymères selon leur comportement : les thermoplastiques, qui, soumis à une élévation de température, ramollissent et inversement, lorsque la température diminue, durcissent ; les thermodurcissables, qui sont des polymères réticulés (des liaisons covalentes sont créées entre les chaines) et dont les molécules présentent peu de liberté de mouvement. Une fois réticulé il n‟est plus possible de déformer ce polymère, c‟est le cas des résines de types époxydes, polyesters, polyimides, etc. ; enfin les thermoplastiques élastomères qui peuvent être modelés à souhait par chauffage ou refroidissement.
La liste des polymères est longue, chacun d‟entre eux présentant des avantages physicochimiques, optiques et mécaniques très intéressants. Pour de plus amples détails, une revue bibliographique exhaustive est donnée par H. Becker (Becker and Gartner, 2000). Nous allons cependant nous intéresser plus particulièrement à trois polymères largement utilisés dans les MEMS, et plus particulièrement en microfluidique :
Le PolyDiMéthylSiloxane, ou PDMS : un polymère siliconé très utilisé en microfluidique qui représente près de 90% des réalisations microfluidiques.
Le polyméthacrylate de méthyle, ou PMMA : un thermoplastique dont le monomère est le Méthacrylate de Méthyle (MAM). Ce polymère est largement répandu, il est plus connu sous la dénomination commerciale: le plexiglas.
La SU-8 : un polymère de type époxy. Il appartient à la famille des thermodurcissables. Ce polymère connait une utilisation croissante depuis le milieu des années 90.
UTILISATION D’UN POLYMERE PARTICULIER : LA SU-8
L‟apparition et l‟utilisation de plus en plus répandue des résines photosensibles épaisses (souvent détournées de leur usage initial) ont permis de développer un grand nombre de techniques nouvelles et permettent d‟apporter une alternative au procédé LIGA (Lu et al., 2007). Les résines photosensibles épaisses les plus largement utilisées (SU-8, AZ 4562, AZ 9260, Ma-P 100, …) permettent en effet de s‟affranchir de la lithographie X bien trop coûteuse en se substituant au PMMA généralement utilisé.
La SU-8 est une résine photosensible négative composée d‟une résine époxy (EPON SU-8) de Shell Chemical® et d‟un photoinitiateur de type Triarylium-sulfonium (sel). Développé et breveté en 1989 par IBM-Watson Research Center, ce matériau a ensuite été adapté au milieu des années 90 par une collaboration entre l‟EPFL-Insitute of Microsystems et IBM-Zurich pour des applications dédiées à la structuration de MEMS (Lorenz et al., 1996; Lorenz et al., 1998). H. Lorenz et son équipe (Lorenz et al., 1997; Lorenz et al., 1998), ont permis d‟élaborer de nombreuses structures en SU-8 à haut facteur de forme : de plusieurs millimètres de haut pour quelques centaines de micromètres de large, comme illustré sur la figure 1.17.
Ces rapports de formes ne pouvaient être obtenus que par lithographie X dans le cas du PMMA, nous sommes désormais capables de structurer des résines photosensibles épaisses dans le proche UV (ex. 365 à 405 nm pour la SU-8). Cette amélioration entraîne ainsi une diminution significative des coûts ; le synchrotron étant remplacé par un aligneur traditionnel. Un léger bémol pouvait être émis quant à l‟utilisation de la SU-8 dans des procédés d‟UV-LIGA, à savoir la difficulté pour l‟éliminer après réticulation (polymère thermodurcissable). De nombreux travaux s‟intéressant à ce dernier point ont été effectués, et il est désormais possible de palier cet inconvénient (Ho and Hsu, 2004). Les demandes en termes de résistance chimique, de biocompatibilité et de transparence sont des éléments clés dans les domaines de la biologie et de la chimie. Trouver un matériau qui puisse réunir l‟ensemble de ces propriétés est donc un réel avantage : la SU-8 en fait partie (Kotzar et al., 2002).
Facilement structurable et présentant d‟excellents rapports de forme, les techniques mises en place pour la réalisation de réseaux microfluidiques en SU-8 sont nombreuses : utilisation de la SU-8 non-réticulée comme couche sacrificielle (Guérin et al., 1997; Chung and Allen, 2005), double insolation de la couche de SU-8 (Fu et al., 2006), ou bien report de films secs (non réticulés) de SU-8 par une méthode de laminage ou de bonding (Abgrall et al., 2006; Tuomikoski and Franssila, 2005). Un exemple de procédé fondé sur une particularité de la SU-8, à savoir un pouvoir d‟absorption différent selon la longueur d‟onde utilisée, est présenté sur la figure 1.18 (Fu et al., 2006). Une couche épaisse de 120µm de SU-8 est dans un premier temps déposée sur un substrat de silicium (a1). La résine est ensuite recuite à 95°C sur une plaque chauffante avant d‟être insolée une première fois (a2) (dans le proche UV : 365nm) au travers d‟un premier masque (réalisation des canaux) puis subit une seconde insolation (a3) (UV-lointain : 254nm) au travers d‟un deuxième masque (capotage des canaux). Cette méthode de double insolation a permis de réaliser des canaux microfluidiques « fermés » avec la possibilité de contrôler l‟épaisseur du capot en fonction de la dose d‟UV-lointain comme on peut le voir sur la figure 1.18 (b).
LES BILLES MAGNETIQUES : PROPRIETES ET UTILISATIONS
L‟utilisation des particules magnétiques dans des applications de biotechnologie, de chimie et/ou de médecine, connait un essor grandissant au vu du nombre de publications présentées à ce jour (Liu et al., 2008; Pamme, 2006; Gijs, 2004). Toutefois, il est important de noter que l‟utilisation et la manipulation de ces objets ne sont rendues possibles que par l‟utilisation de matériels dédiés. Nous décrirons dans la suite de ce chapitre les différents modes de manipulations de ces particules magnétiques : d‟une part à l‟échelle macroscopique et d‟autre part dans des réseaux microfluidiques. C‟est bien sur ce dernier point que nous développerons la discussion.
Les applications actuelles qui visent à miniaturiser et à augmenter le nombre d‟analyses biologiques/chimiques/médicales en parallèle, au sein d‟un même dispositif, font de ces billes magnétiques un outil de choix dans ces domaines. Les nombreux avantages présentés par ce type de microparticules seront détaillés dans la suite du document.
PROPRIETES
L‟utilisation intensive des micro- et nanobilles magnétiques entraîne aujourd‟hui, sur le marché, la commercialisation d‟un grand choix de produits dédiés à des applications spécifiques. Dès lors, il devient bien difficile de faire un choix entre les fabricants (Ademtech, Dynal, Polysciences, Chemicell…) et leurs produits. Généralement, la spécificité d‟une microbille magnétique réside dans son diamètre (50 nm à 5 µm), ses propriétés de surface (différentes terminaisons chimiques sont possibles : amine, acide carboxylique, streptavidine…), le matériau utilisé (polystyrène, silice …) (Horak et al., 2007) et bien sûr ses propriétés magnétiques. Faire le choix d‟une suspension de microbilles magnétiques revient alors à se poser les questions suivantes : quels types d‟applications sont visés et quelles sont les propriétés intrinsèques des microparticules qui nous intéressent (Le Drogoff et al., 2008; Horak et al., 2007) ? Pour pouvoir répondre à ces questions, il est indispensable d‟en connaître les propriétés.
STRUCTURE D’UNE MICROBILLE MAGNETIQUE
Les billes magnétiques utilisées au cours de nos travaux sont des suspensions colloïdales de nanocristaux magnétiques (le ferrofluide) dans un solvant aqueux bio-compatible recouvert d‟une couche de polymère favorisant le greffage de diverses molécules, représentées en figure 1.21. Ces nanocristaux sont pour la plupart composés soit d‟oxyde de fer (grains de magnétite : Fe3O4 ou maghémite : γ-Fe2O3), soit de divers éléments de transitions (Ni, Fe, Co, Mg ou Zn) ou bien d‟alliages de terres rares. Ces divers alliages servent de base aux matériaux pour aimants permanents et magnétostrictifs les plus performants.
PROPRIETES MAGNETIQUES D’UNE MICROBILLE
Sous l‟effet d‟un champ magnétique externe, les structures magnétiques microscopiques des matériaux donnent lieu à des phénomènes magnétiques qui diffèrent selon que leurs propriétés soient: paramagnétique, ferromagnétique, antiferromagnétique, diamagnétique ou ferrimagnétique. Chaque comportement est régi par la susceptibilité magnétique m5 du matériau et le moment magnétique m 6 qui en résulte. En guise de préambule, il semble intéressant d‟établir une description simplifiée des origines du magnétisme et des différents phénomènes qui en résultent.
LES DIFFERENTS DOMAINES D’APPLICATIONS : EN BIOLOGIE ET EN MEDECINE
Les billes magnétiques sont largement utilisées en biologie et en médecine, comme le montrent les nombreux travaux de M. Gijs (Gijs, 2004), H. Kawaguchi (Kawaguchi, 2000), N. Pamme (Pamme, 2006). Ces microparticules présentent de nombreux avantages tels que leurs petites tailles, une densité de surface fonctionnalisable importante, une grande mobilité, etc. L‟ensemble de ces propriétés font des microbilles magnétiques un consommable de prédilection dans le domaine des analyses biologiques et médicales (Lee et al., 2004; Tartaj et al., 2003).
LA BIOLOGIE ET LES PARTICULES MAGNETIQUES
L‟utilisation des microbilles magnétiques permet de transporter des objets biologiques (protéines, bactéries, virus…) au sein d‟un échantillon (Irwin et al., 2003; Yokokawa et al., 2006) :
extraction de brin d‟ADN (Pichl et al., 2005; Vuosku et al., 2004), séparation de cellules (Inglis et al., 2006; Molday et al., 1977; Porter and Pickup, 1998) ou détection d‟anticorps (Guesdon and Avrameas, 1981). Ces objets peuvent également être purifiés (Bojko et al., 1995), triés ou bien aiguillés (Kuhara et al., 2004; McCloskey et al., 2003) sous l‟effet d‟un champ magnétique.
Le principe général du « tri sélectif » à l‟aide de microbilles magnétiques fonctionnalisées est le suivant : (i) greffage d‟un récepteur spécifique (un anticorps par exemple) à la surface de la microbille ; (ii) incubation de la solution contenant les microbilles fonctionnalisées et l‟antigène cible à analyser ; (iii) séparation, à l‟aide d‟un séparateur magnétique, du couple billes magnétiques fonctionnalisées + antigène cible, du reste de la solution. Globalement, il existe deux méthodes pour manipuler ces microbilles magnétiques : l‟utilisation d‟un aimant permanent extérieur au dispositif (largement répandue dans les laboratoires biologiques), ou bien l‟utilisation d‟électro-aimants intégrés au microsystème (cas de la microfluidique). Les deux principes seront abordés en détail dans ce qui suit.
Les travaux proposés par B.A.Tucker (Tucker et al., 2005) sont un exemple de séparation à des fins de culture spécifique de neurones sensitifs. Le protocole général est présenté sur la figure 1.26.
MEDECINE ET BILLES MAGNETIQUES : QUE TROUVE T-ON ?
La médecine et la biologie sont deux domaines intimement liés. On peut cependant distinguer deux modèles quant à l‟utilisation des microparticules magnétiques en biomédical : les processus in vivo et les processus in vitro. Etymologiquement parlant, du latin « in vivo », au sein du vivant et du latin « in vitro », dans le verre, ces deux expressions conditionnent le processus biologique d‟une observation : (i) dans un organisme vivant (in vivo) ou (ii) dans des conditions artificielles, dans un tube, en laboratoire, en dehors de l’organisme d’origine (in vitro). L‟aspect « in vitro » ayant été précédemment décrit, intéressons nous maintenant aux applications « in vivo » des microbilles magnétiques. A partir des travaux d‟A.Ito (Ito et al., 2005) et de P.Tartaj (Tartaj et al., 2003), il est possible de distinguer deux grands domaines d‟applications médicales : le diagnostic et la thérapie.
Le diagnostic : Imagerie par Résonnance Magnétique et détection de cellule cancéreuses.
L‟Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire (IRMN) est une technique médicale datant des années 1980 connaissant un essor considérable depuis les progrès réalisés en informatique et en traitement du signal. Cet outil est donc devenu indispensable dans le domaine de l‟imagerie médicale. D‟une manière générale, le principe de fonctionnement de l‟IRM est fondé sur l‟exploitation des moments magnétiques de spin présents dans le noyau de certains atomes… L‟intensité du signal reste cependant souvent insuffisante pour permettre d‟observer une différence convenable entre les parties saines ou affectées de l‟organisme. Il est alors nécessaire d‟augmenter le contraste, soit en augmentant le temps de l‟examen pour permettre une meilleure acquisition, soit en utilisant un agent de contraste spécifique ou non spécifique. En injectant dans le patient des billes recouvertes d‟anticorps spécifiques de la lésion cancéreuse, ces dernières vont venir se greffer spécifiquement aux tissus infectés, permettant ainsi une augmentation du contraste des clichés (moment magnétique des microbilles) et favorisant la localisation de la tumeur (Suzuki et al., 1996), figure 1.28.
La thérapie : hyperthermie et distribution médicamenteuse.
→ En hyperthermie : on utilise depuis longtemps l‟hyperthermie, ou exposition à des températures dépassant 41,5°C, pour détruire les cellules tumorales chez l‟être humain (Wust et al., 2002). Combinée à un ou plusieurs autres traitements cancéreux tels que la chimiothérapie, la chimiothérapie hyperthermique a démontré son efficacité dans le traitement de certains cancers (Gofrit et al., 2004). Le protocole d‟utilisation des billes magnétiques dans le cadre d‟un traitement par hyperthermie consiste dans un premier temps à venir greffer les microbilles magnétiques sur les cellules infectées (au moyen de récepteurs spécifiques, comme nous avons pu le décrire plus haut) puis à les « exciter » sous l‟action d‟un champ magnétique alternatif haute fréquence (Hilger et al., 2004; Brusentsov et al., 2001). L‟intérêt de cette méthode est la localisation du chauffage et donc la détérioration localisée des tissus. En ce qui concerne la taille des particules, un dimensionnement nanométrique est préféré aux billes plus grosses du fait d‟une réponse plus rapide sous l‟effet d‟un champ magnétique relativement faible (Hiergeist et al., 1999).
Figure 1.29 Photographies du rein d’un rat 14 jours après le traitement par hyperthermie. A gauche, le rein a été traité à l’aide de billes magnétiques fonctionnalisées et donc localisées sur les tissus malades. A droite, le traitement a été effectué avec des billes non-fonctionnalisées et donc non-localisées.
→ Administration de médicaments : l‟utilisation des billes magnétiques pour une administration localisée de médicaments connait un essor important depuis un certain nombre d‟années (Yang et al., 2009; Liu et al., 2008). M.W. Freeman s‟intéressait déjà dans les années 1960, au transport de particules métalliques au travers du système vasculaire en direction des cellules « malades » (Freeman et al., 1960). Le protocole expérimental mis en place dans le cadre d‟une administration de médicaments localisée est fondée sur la maitrise du couple suivant : (i) force exercée par le sang lors de la circulation dans le vaisseau sanguin et (ii) force magnétique générée par l‟aimant, figure 1.30. On retrouve ici une problématique récurrente, à savoir la maitrise des forces mises en jeux.
Le couplage des deux utilisations, diagnostic et thérapie, est une perspective ultime et particulièrement attractive pour la détection et le traitement des maladies du cancer, figure 1.31. Globalement, après injection, les microbilles magnétiques fonctionnalisées vont venir se greffer à la surface des tissus infectés (Drug Delivery System, DDS) et vont améliorer le contraste des clichés obtenus par IRM, figure 1.31(i). Le traitement des cellules malades pourra ensuite se faire localement par la méthode d‟hyperthermie, figure 1.31(ii).
|
Table des matières
1. Manipulation de microbilles magnétiques dans un réseau microfluidique : état de l’art Introduction
1.1. La microfluidique : contexte et enjeux
1.1.1. Fondements
1.1.2. Les différents procédés de microfabrication
1.1.3. Utilisation d’un polymère particulier : la SU-8
1.2. Les billes magnétiques : propriétés et utilisations
1.2.1. Propriétés
1.2.2. Réponse d’une microbille magnétique à l’excitation d’un champ magnétique
1.2.3. Domaines d’applications : en biologie et en médecine
1.2.4. Manipulation des microbilles magnétiques en microfluidique
1.3. Bilan bibliographique et choix technologiques
1.3.2. Manipulation des microbilles magnétiques dans des systèmes microfluidiques
1.3.3. Choix technologiques
En conclusion 1
2. Simulation et conception d’un microactionneur magnétique pour la manipulation de microbilles
Introduction
2.1. Equations, bilans et designs étudiés
2.1.1. Expression de la force magnétique
2.1.2. Les différentes géométries étudiées
2.2. Simulation du comportement magnétique des différentes structures
2.2.1. Influence du design sur le champ magnétique
2.2.2. Influence du design sur le gradient de champ magnétique
2.2.3. Influence du dimensionnement des spires
2.2.4. Influence du nombre de spire
2.2.5. Influence de l’intensité d’alimentation
2.2.6. Bilan des résultats de simulation
2.3. Détermination de la force magnétique exercée sur une microbille magnétique
2.4. Forces exercées sur une microbille magnétique en suspension dans un liquide
2.4.1. La force gravitationnelle
2.4.2. La force d’Archimède
2.4.3. La force de Stockes
2.4.4. Le bilan
2.4.5. Comparaison entre force magnétique et force de traînée
En conclusion 2
3. Développement d’une plateforme microfluidique instrumentée
Introduction
3.1. Technologie d’intégration multi-niveaux
3.1.1. Présentation du procédé de fabrication
3.1.2. Fabrication de la structure ouverte
3.1.3. Capotage de la structure
3.1.4. Optimisation du procédé de laminage
3.1.5. Réseaux microfluidiques multi-niveaux
3.1.6. Vers l’intégration système
3.2. Intégration de microactionneurs magnétiques dans un canal microfluidique
3.2.1. Les différentes topologies de microbobines de forme spirale à réaliser
3.2.2. Les différentes topologies de microbobines de forme méandre à réaliser
3.2.3. Présentation du jeu de masques utilisés
3.3. Description du procédé de fabrication du système intégré
3.3.1. La couche isolante
3.3.2. Masque TI-1 : la prise de contact électrique
3.3.3. Masque TI-2 : vias électriques et couche isolante
3.3.4. Masque TI-3 : croissance électrolytique du cuivre
3.3.5. Masque TI-4 : couche de passivation et ouverture des contacts électriques
3.3.6. Masques TI-5/TI-6 : canal microfluidique et ouverture des contacts électriques
3.3.7. Evaluation de l’approche
3.4. Les connectiques
3.4.1. Connectique fluidique
3.4.2. Connectique électrique
En conclusion 3
4. La manipulation des microbilles magnétiques
Introduction
4.1. Détermination de la réponse thermique des microstructures
4.1.1. Présentation du banc de test
4.1.2. Influence de la géométrie des structures sur la réponse thermique
4.2. Caractérisation des résistances électriques
4.2.1. Présentation du banc de test
4.2.2. Mesures de l’ensemble des topologies retenues
4.3. Evaluation de l’efficacité des microactionneurs magnétiques
4.3.1. Présentation des structures tests
4.3.2. Présentation du banc de test microfluidique
4.3.3. Préparation de la solution de billes
4.3.4. Actionnement en mode statique
4.3.5. Actionnement en mode dynamique
4.4. Du microsystème au concept de laboratoire-sur-puce
4.4.1. Réalisation d’un système d’aiguillage
4.4.2. Ecoulement laminaire et tri sur billes magnétiques
4.4.3. Module de tri magnéto-fluidique multi-niveaux
4.4.4. Présentation des résultats préliminaires et perspectives
En conclusion 4
Conclusion générale
Annexe A – Publications
Annexe B – Synoptique carte électronique
Annexe C – Technologie de report SU-8
Bibliographie
Télécharger le rapport complet
