Méthodes d’emballage de prototypage microfluidique à haut débit, rapide et à faible coût

Résumé

Dans cet article, nous décrivons différentes techniques pour les plateformes de prototypage rapide microfluidique. Les techniques proposées sont basées sur des époxydes sensibles aux ultraviolets (UV) et durcissant à la température, des tubes à base de polydiméthylsiloxane (PDMS), des fils collés et des films adhésifs anisotropes. Les procédures d’assemblage présentées sont développées à la fois pour les dispositifs à usage unique et les systèmes microfluidiques réutilisables.

Résumé

Dans ce travail, 3 techniques différentes d’emballage et d’assemblage sont présentées. Elles peuvent être classées en deux catégories : les techniques d’emballage à usage unique et les techniques d’emballage réutilisables.

La technique d’emballage à usage unique utilise des époxydes à base d’UV et durcissant à la température pour connecter les microtubes aux trous d’accès, le câblage pour les connexions de circuits intégrés et l’époxy d’argent pour les connexions électriques. Cette méthode est basée sur une technique d’assemblage robuste qui peut supporter une pression relativement élevée proche de 1 psi et n’a besoin d’aucun support pour renforcer l’architecture microfluidique.

Les techniques d’emballage réutilisables consistent en des interconnexions de microtubes à base de PDMS et des films adhésifs anisotropes pour les connexions électriques. Ces appareils sont plus sensibles et fragiles. Par conséquent, un support en plexiglas est ajouté à la structure microfluidique pour améliorer le contact électrique lors de l’utilisation de films adhésifs anisotropes, et également pour renforcer l’architecture microfluidique. De plus, un micromanipulateur est nécessaire pour maintenir les tubes tout en utilisant une fine couche de PDMS pour les connecter aux trous d’accès. Différentes épaisseurs de couche PDMS, allant de 0,45 à 3 mm, sont testées pour comparer la meilleure adhérence par rapport aux taux d’injection. Les taux d’injection appliqués varient de 50 à 300 μl/h pour des couches PDMS de 0,45 à 3 mm, respectivement. Ces techniques sont principalement applicables aux applications à basse pression. Cependant, ils peuvent être étendus pour les applications à haute pression par le procédé plasma-oxygène afin de sceller de manière permanente le PDMS sur des substrats en verre. Le principal avantage de cette technique, outre le fait qu’elle est réutilisable, consiste à garder le dispositif observable lorsque la longueur du microcanal est très courte (dans la gamme de 3 mm ou moins).

Introduction

Les progrès récents en microfabrication ont conduit à des dispositifs microfluidiques plus complexes comprenant un grand nombre d’électrodes et différents types d’algorithmes de contrôle. Cependant, ces avancées ont mis en évidence de nouveaux défis dans le domaine de l’emballage. De plus, le Lab-on-Chip (LoC) est un concept multidisciplinaire où des dispositifs microfluidiques, des systèmes microélectromécaniques (MEMS), des puces microélectroniques, entre autres parties, sont connectés ensemble. Par conséquent, il est impossible de développer un processus d’emballage sans prendre en compte les différentes contraintes des composants LoC telles que la sensibilité et la protection des circuits microélectroniques, les tubes et les aspects mécaniques. De plus, l’empaquetage des composants d’une LoC donnée est étroitement lié à l’application^1,2. À titre d’exemple, dans les applications optiques, la transparence de l’appareil est cruciale, en particulier à des fins de test. Il est donc important de surveiller le comportement du système en gardant l’appareil observable. Dans les applications liées à la manipulation de cellules ou de particules, l’utilisation de techniques à basse tension est plus attrayante, avec l’émergence de nouvelles technologies de microfabrication qui facilitent la réduction des dimensions des électrodes (de quelques micromètres à une échelle submicronique de^{3 à 5}) mais augmentent considérablement le nombre d’électrodes à 100 ou plus.

D’autre part, les LoC dédiées à l’analyse chimique et biologique nécessitent une observation à long terme. Ainsi, l’emballage du système et le banc d’essai doivent éviter la contamination biologique ainsi que toute défaillance des dispositifs électroniques de LoC en plus de maintenir le système observable.

Dans des articles récemment publiés, la microfluidique et les MEMS sont les principales parties d’une LoC, mais d’autres modules peuvent être utilisés pour la surveillance du système. Par conséquent, le test et la validation des architectures microfluidiques sont devenus un défi avec les nouvelles approches de microfabrication et les architectures de haute complexité et de débit. Jusqu’à présent, il n’existe pas de plates-formes d’essai ou de supports standard pour les systèmes microfluidiques, comme c’est le cas pour les matrices microélectroniques.

Les chercheurs ont proposé différentes techniques d’emballage pour des utilisations spécifiques, telles que Xie et al.⁶ qui ont conçu un emballage bio-microfluidique comprenant une puce microélectronique pour contrôler la séparation de l’ADN dans les canaux microfluidiques. Beebe et al.⁷ a conçu un canal microfluidique avec des réservoirs de fluide intégrés et des valves d’hydrogel sensibles aux stimuli pour manipuler les échantillons de fluide. D’autres systèmes proposent l’utilisation de capteurs de débit à bulles électrolytiques pour détecter les pressions à travers un champ électrique afin de générer des bulles d’air et de mesurer la pression correspondante⁸. Le système de détection mesure l’impédance de la bulle et détermine ensuite la pression, ce qui nécessite un emballage spécial conçu pour éviter d’introduire toute interférence dans les mesures. Dans un autre travail, une méthode d’emballage microfluidique à température ambiante a été introduite basée sur un processus d’activation plasma séquentielle⁹. Malgré le fait que ce processus puisse conduire à un appareil solidement assemblé, il présente des limites lorsqu’il est utilisé à des fins de prototypage ou lorsque l’appareil est utilisé plusieurs fois. Ce dernier peut impliquer le remplacement fréquent de certaines parties du système. De plus, Lee et al. ont introduit une nouvelle technique d’emballage, appelée Biolab-on-IC, basée sur l’utilisation de champs magnétiques pour la manipulation de billes magnétiques individuelles, où l’architecture microfluidique est conçue sur le dessus du circuit intégré¹⁰. De plus, la fiabilité de l’emballage et de l’intégration des systèmes microfluidiques, compte tenu de la taille du système, des aspects optiques et des pièces de connexion, sont des questions critiques, comme le détaillent Han et Frazier¹¹. Ce dernier travail reflète une approche typique des systèmes LoC, où plusieurs paramètres doivent être fixés et mesurés avec précision lors de l’emballage.

Par conséquent, l’emballage microfluidique est un défi pour une nouvelle génération de dispositifs microfluidiques. L’emballage comprend des pièces hétérogènes telles que des tubes, des connexions électriques et un support microfluidique. Pour les tubes, le principal problème est l’espace très limité disponible pour connecter les tubes afin d’accéder aux trous microfluidiques. Le diamètre des connecteurs actuellement disponibles dans le commerce est de l’ordre de 6 mm ; Cependant, la distance entre les deux trous d’accès devient plus petite avec la réduction des dimensions globales du système^12-13. C’est pourquoi nous avons proposé une technique de tubing basée sur le PDMS. Ce procédé de tubage est spécialement élaboré pour la phase de prototypage. En effet, en raison de la contrainte chimique, le changement du tube de raccordement après chaque utilisation est obligatoire pour éviter et minimiser les fuites de liquide à l’intérieur de la microstructure et pour nettoyer les microcanaux. À ces fins, le processus décrit dans ce document est particulièrement applicable pour une conception de prototypage rapide.

D’autre part, les connexions électriques sont critiques pour les dispositifs microfluidiques qui utilisent une manipulation ou une mesure électrique directe ou indirecte. En raison de la large gamme d’applications microfluidiques, les dimensions, la forme et le nombre de contacts électriques du dispositif peuvent varier considérablement. Par conséquent, une méthode polyvalente est nécessaire, qui peut être utilisée pour différentes applications. Kaler et al. ont présenté les résultats de leur plateforme de prototypage rapide microfluidique, basée sur des connecteurs à force d’insertion nulle (ZIF)¹⁴. Au lieu de ces derniers connecteurs, les méthodes présentées utilisent un film conducteur adhésif anisotrope, qui peut être facilement adapté à n’importe quelle forme.

De nombreux chercheurs ne prennent pas en compte les contraintes de test lors de la conception de leur dispositif microfluidique. En microélectronique, il existe de nombreux supports utilisés à des fins de prototypage et de test, qui sont appelés supports de circuits intégrés. Ceux-ci sont principalement conçus pour réduire les temps de prototypage et de test, et offrent aux chercheurs et aux ingénieurs un moyen facile de remplacer les appareils en cas de panne. À l’instar de la microélectronique, nous proposons également un nouvel ensemble de tests pour les dispositifs microfluidiques limités à une taille de dispositif de 45 mm x 90 mm.

Nos techniques proposées visent à couvrir un grand nombre de dispositifs et d’applications microfluidiques. Ces méthodes peuvent être adaptées, étendues et mises à niveau pour d’autres applications. Notre objectif est de fournir l’une des premières méthodes d’emballage polyvalentes pour les dispositifs microfluidiques optimisés pour les manipulations microfluidiques. Par exemple, l’une des applications finales des dispositifs emballés avec ces techniques est la séparation de microsphères de polystyrène et de carboxyle modifié avec du liquide céphalo-rachidien artificiel. Néanmoins, ils peuvent être utilisés dans d’autres applications avec des solutions différentes.

Dans le reste de cet article, trois techniques de tubes différentes, 2 méthodes de connexion électrique et une méthode d’emballage microfluidique sont présentées et comparées.

Protocole

1. Interconnecteur PDMS amovible pour applications microfluidiques basse pression^15-16

1. Préparation
   Cette section décrit les différentes étapes de préparation du verre et du PDMS afin de produire l’interconnexion.
   1. Préparez le PDMS : Mélangez le PDMS et l’agent de durcissement avec un rapport de (10:1).
   2. Assurez-vous que la température du four est stabilisée à une température constante de 80 °C. Selon le four, utilisez un appareil de mesure pour détecter la température du four et la surveiller manuellement.
   3. Nettoyez soigneusement la boîte de Pétri avec de l’éthanol.
   4. Nettoyez la surface des trous d’accès microfluidiques où l’interconnexion PDMS sera placée.
2. Fabrication
   L’interconnecteur décrit dans ce document est essentiellement un joint conforme. Ce joint est formé à partir de PDMS et contient des trous dans lesquels des microtubes peuvent être insérés. Il adhère automatiquement à la surface d’une puce microfluidique, pour former un joint étanche entre le microtube et les trous d’accès aux microcanaux de la puce.
   Procédez comme suit pour fabriquer l’interconnexion.
   1. Versez une fine couche (environ 2 mm) de PDMS (liquide) dans une boîte de Pétri.
   2. Laissez le PDMS polymériser légèrement à une température de 80 °C dans le four pendant 12-15 min. Placez la puce microfluidique à laquelle la connexion sera faite dans le four en même temps, de sorte qu’elle soit à la même température.
   3. Lorsque le PDMS commence à polymériser, retirez-le du four de durcissement.
   4. À l’aide d’un poinçon de biopsie, formez des trous du diamètre souhaité à la surface de la puce microfluidique.
   5. À l’aide de la lame, coupez le morceau requis de PDMS.
      Remarque : Il est recommandé de découper d’abord un morceau de matériau plus grand que ce qui sera finalement nécessaire. Pour éviter d'utiliser plusieurs connecteurs, il est souhaitable que toute interconnexion PDMS donnée soit découpée à une forme carrée et que les trous soient perforés, afin de s'aligner sur le nombre maximum possible de trous sur la puce de l'utilisateur.
   6. Gardez les trous légèrement plus petits que le diamètre extérieur du microtube.
   7. Retirez rapidement le PDMS des boîtes de Pétri et placez-le sur la puce microfluidique.
   8. Assurez-vous qu’il n’y a pas de poussière sur le PDMS ou la puce et assurez-vous que les trous d’accès sur la puce microfluidique sont alignés avec ceux du PDMS.
   9. À l’aide d’un micropositionneur, insérez les tubes (par exemple les tubes en téflon) à travers l’interconnecteur PDMS. Les tubes doivent avoir un diamètre de 110 % du trou d’accès microfluidique pour éviter les fuites de liquide. Les mêmes tubes peuvent être connectés au système d'injection de liquide en fonction de l'application de l'utilisateur.
      note: Placez toujours les tubes à l’aide d’un micropositionneur, la couche PDMS n’est pas très épaisse et peut être détachée si les tubes sont tordus.
   10. Si nécessaire, ajoutez de l’époxy entre le tube et le PDMS pour une meilleure adhérence.
       Un exemple de l’interconnexion achevée est montré dans les figures et dans Ghallab et Badawy².

2. Interconnexion des microtubes dans les applications microfluidiques avec l’époxy¹⁷

Lors de la fabrication d’un interconnecteur, assurez-vous que le bord du microtube est correctement coupé. Utilisez une nouvelle lame tranchante pour couper le bord du microtube droit et pour vous assurer que le contact entre les microtubes et le trou d’accès est uniforme.

1. À l’aide du micropositionneur, placez soigneusement le microtube dans le trou d’accès de la puce microfluidique.
2. Appliquez une petite pression sur le distributeur d’époxy pour déposer l’époxy sur les trous d’accès ou placez-le manuellement.
3. Laissez l’époxy durcir en suivant les étapes suivantes :
   1. Époxy durcissable aux UV : Exposez l’époxy UV à une source UV pendant 3 à 10 min, en fonction de la quantité d’époxy utilisée. Pour plus de détails, reportez-vous aux spécifications de l’époxy.
   2. Époxy standard : Si le substrat microfluidique doit être utilisé uniquement en RT, maintenez le durcissement de l’époxy pendant 24 heures en RT. Si le substrat doit résister à des températures élevées, solidifiez rapidement l’époxy en l’exposant à 100 °C à l’aide d’un four ou d’un appareil de chauffage, selon l’application. Pour plus de détails, reportez-vous aux spécifications de l’époxy.

3. Technique d’assemblage de puces microfluidiques réutilisables avec interface électrique¹⁷

1. Assemblage des composants
   La figure 2 montre les liaisons entre les connecteurs électriques du circuit imprimé et les pastilles électriques de la puce microfluidique. Pour assembler les composants PCB/puce microfluidique/plexiglas, procédez comme suit :
   prudence: Évitez une pression de compression excessive, qui peut casser la puce microfluidique.
   1. Soudez les connecteurs électriques multibroches à montage en surface au circuit imprimé.
   2. S'il y a une contamination de surface sur les coussinets électriques de la puce microfluidique, nettoyez-les avec de l'oxygène plasma, sinon nettoyez les coussinets avec de l'éthanol.
   3. À l'aide d'une lame tranchante, coupez le ruban conducteur en petits morceaux ayant les mêmes dimensions que les électrodes de la puce microfluidique, comme le montrent les figures 1 et 2.
   4. À l’aide d’une pince, placez le ruban conducteur sur les pastilles électriques du PCB.
   5. Alignez puis placez la puce microfluidique sur le PCB.
      note: Pour une précision de placement, utilisez une machine d’alignement.
   6. Placez une couche isolante (comme du papier) sur le PCB pour éviter les courts-circuits avant d’installer les supports métalliques, en fonction de l’emplacement des traces du PCB.
   7. Fixez le support métallique à l’aide de vis mécaniques et d’écrous.
2. Démontage
   1. Retirez les vis mécaniques, les écrous et les supports métalliques.
   2. Séparez délicatement la puce microfluidique et le PCB.
   3. Utilisez de l’éthanol pour retirer l’adhésif du ruban conducteur des coussinets électriques du PCB et de la puce microfluidique avant le remontage.

Résultats

La figure 3 illustre un schéma détaillé de la technique d’emballage proposée. La solution d’emballage a été testée avec plusieurs épaisseurs et tailles PDMS afin de caractériser un processus d’emballage transparent et efficace pour les microsystèmes hybrides microélectroniques/microfluidiques, comme le montrent les figures 4 et 5. Les dimensions de la couche d’interconnexion PDMS conçue sont de 6 mm x 6 mm et elle est utilisée pour connecter deux trous d’accès. Cependant...

Discussion

L’interconnecteur PDMS est destiné aux applications à basse pression, il faut éviter les fuites de liquide dans le trou d’accès à la puce lorsque l’interconnecteur PDMS est ensuite placé sur le trou d’accès. Par conséquent, l’épaisseur recommandée du PDMS est inférieure à 2 mm. Une épaisseur plus importante peut induire une faible adhérence du PDMS à la surface de la puce microfluidique et n’est pas recommandée. Un essai infructueux a été réalisé avec une épaisseur de 4 mm. Ce travail se concentre sur l’adhérence de l’in...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Epoxy 731	Epotek	731
PDMS	Dow Corning	SYLGARD 184
UV Epoxy	Epotek	OG159
Micropompe	Harvard Apparatus	PHD Ultra
	PCB Advanced Circuits
Plexiglass	Ecole Polytechnique
Adhésif conducteur film	3M	9703