Microfluidique - Définition

Développement

Évolution annuelle entre 1948 et 2008 du nombre de références indexées dans la base de données de CAS concernant la microfluidique (échelle logarithmique).

La microfluidique est un domaine de recherche particulièrement dynamique, comme en témoigne une rapide analyse de la production scientifique mondiale (figure ci-contre). Whitesides relie ce dynamisme à quatre thématiques principales : la chimie analytique, la biodéfense, la biologie moléculaire et la micro-électronique ; tout d'abord, le succès des méthodes analytiques au format capillaire (chromatographie liquide à haute performance, électrophorèse) a conduit à miniaturiser davantage les dispositifs, afin d'améliorer la sensibilité et la résolution des analyses. Le développement de la microfluidique a également été abondamment subventionné par les agences militaires, afin de répondre au risque des armes chimiques et biologiques. Par ailleurs, la course au séquençage du génome humain, rapidement suivi par le protéome et le métabolome, ont rendu nécessaire le développement d'outils d'analyse haut débit hautement parallélisables. Enfin, la microfluidique a largement profité des techniques de microfabrication, développées à l'origine pour la micro-électronique et les microsystèmes. Malgré ces facteurs et ce dynamisme, cette technique n'est pas encore, en 2008, très présente dans la vie quotidienne, en particulier dans le domaine de la santé. Une raison pouvant expliquer cette latence est que la microfluidique reste une discipline relativement jeune ; de très nombreux dispositifs ont été développés, enrichissant d'autant la boîte à outil microfluidique. Cependant, le problème reste leur intégration, leur assemblage cohérent et la possibilité d'utilisation du dispositif final par une personne non avertie. En ce sens, les tests de grossesse jetables, bien que plus simples, sont un exemple à suivre. La communauté scientifique reste cependant majoritairement confiante dans l'avenir de la microfluidique, qui a d'ailleurs été choisie en 2001 par la Technology Review du M.I.T. comme l'une des « dix techniques émergentes qui vont changer le monde ».

Actionnement des fluides

• pompes
• vannes
• valves
• mélangeurs
• actionnement mécanique, chimique
• micropyrotechnie

Fonctions microfluidiques

Fonctions de base

La science de la microfluidique comporte plusieurs facettes ne se limitant pas à l'écoulement des fluides. On peut identifier plusieurs composantes d'un système microfluidique : les zones d'écoulement, les dispositifs d'actionnement et l'interface avec le monde extérieur. Les zones d'écoulement sont généralement des microcanaux fabriqués en technique polymère. Les techniques de micro-électronique fournissent de nombreuses techniques d'usinage de volume et de surface ; d'autres techniques, telles que le laminage de films secs, ont été développées plus spécifiquement pour les systèmes microfluidiques. La géométrie et le design des zones d'écoulement est également à prendre en compte : canaux droits simples, en forme de T ou même biomimétiques. Une autre fonction microfluidique de base est l'actionnement des fluides : ce terme recouvre l'injection, le déplacement contrôlé et les différentes opérations effectuées sur le fluide, comme le mélange. Ces fonctions sont implémentées par une variété de composants microfluidiques élémentaires : micropompes, microvalves, micromélangeurs, etc.. Le dernier aspect de la technique microfluidique est la connexion entre le système micrométrique et le monde extérieur. Il s'agit de développer des interfaces, si possible normalisées, entre des systèmes d'échelles très différentes. Tous ces aspects ne recouvrent que les fonctions de base, que l'on rencontre généralement dans tout système microfluidique ; d'autres fonctions plus évoluées sont souvent ajoutées.

Éléments magnétiques et optiques intégrés

En plus des fonctions de base, la boîte à outils du technologue en microfluidique est riche de nombreux éléments, notamment magnétiques et optiques. Les bobines et autres éléments magnétiques ont été intégrés à l'échelle micrométrique lors du développement des microsystèmes électromécaniques (micro-electromechanical systems, MEMS) ; l'application la plus connue de MEMS magnétiques (ou MagMEMS) est probablement les têtes d'enregistrement pour disques durs, fonctionnant sur le principe de la magnétorésistance géante. En microfluidique, les éléments magnétiques servent principalement à la manipulation d'échantillons : pompes, valves, mélangeurs, triage, séparation, etc. Les particules magnétiques (notamment les billes) sont particulièrement utilisées comme support solide pour les tests biologiques. Plus rarement, des fonctions magnétiques peuvent servir à la détection ; Trumbull et al. ont ainsi intégré sur puce un système de résonance magnétique nucléaire. À l'inverse, les composants optiques sont généralement utilisés pour la détection et plus rarement pour la manipulation d'échantillons ; l'une des possibilités pour la détection intégrée est le couplage avec une fibre optique. Parfois, les rôles sont inversés : la microfluidique se met au service de l'optique; Psaltis et al. ont ainsi détaillé différentes applications d'« optofluidique », faisant ainsi référence aux systèmes optiques contrôlés par des composants microfluidiques ; les fibres optiques microfluidiques ont d'ailleurs été mises en avant en 2004 par la Technology Review du M.I.T. comme l'une des « dix techniques émergentes qui vont changer le monde ».