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CA 02452184 2003-12-24
WO 03/004163 PCT/CH02/00353
DISPENSATEUR DE FLUIDE MULTI-CANAL
La présente invention se rapporte à la réalisation de réseaux miniaturisés à
s haute densité d'échantillons de substances biologiques (oligonucléotides,
DNA,...), souvent désignés "biochips", en vue de leur traitement.
De tels réseaux sont des outils particulièrement utiles dans le domaine de la
biologie moléculaire, ainsi que l'attestent, notamment, les publications "High-
density oligonucleotides arrays" (A. P. Blanchard et AI. - Biosensors &
io Biolectronics, Vol. 11, N° 6/7, pp. 686-690, 1996) et "Array of
hope" (E. S.
Lander- Nature Genetics Supplement, Vol. 21, January 1999).
L'invention concerne, plus particulièrement, un dispensateur de fluide multi-
canal permettant de prélever du liquide dans une pluralité de cavités
ménagées sur un plateau réservoir puis d'en déposer un réseau de micro-
is gouttes sur un plateau récepteur de manière à constituer un "biochip".
Le dispensateur selon l'invention est du type comportant:
- une pluralité de canaux souples disposés en un faisceau
convergent, dont les premières extrémités sont destinées à étre
plongées dans les cavités du plateau réservoir et dont les
2o deuxièmes extrémités sont assemblées en un réseau miniaturisé,
- des moyens de remplissage des canaux, à partir de leurs premières
extrémités, par le Liquide contenu dans les cavités, et
- des moyens d'expulsion d'une goutte de liquide de la deuxième
extrémité de chaque canal en direction du plateau récepteur.
2s Un dispositif de ce type est décrit dans le document WO 98/29736. Les
canaux sont formés d'un faisceau de fils capillaires rassemblés sur une tête
d'impression. ils sont commandés tous ensemble.
Les documents US 4 058 146 et EP 0 955 084 proposent des réalisations
semblables, mais l'expulsion du liquide s'effectue alors par simple contact
3o avec le plateau récepteur. II en est de même pour le dispositif décrit dans
le
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document US 4 621 665 mais, dans ce cas, il n'y. a pas de changement de
format entre le plateau réservoir et le plateau récepteur.
La présente. invention vise à fournir un dispensateur constituant une version -
améliorée des systèmes-de l'art antérieur susmentionnés.
s Pour atteindre cet objectif, le dispensateur selon (invention est
caractérisé en
ce que les canaux sont formés dans une pluralité de plaques souples de
façon à converger de leurs premières extrémités vers leurs deuxièmes
extrémités, en ce que ces. plaques sont. liées ensemble par leur partie qui
comporte les deuxièmes extrémités des canaux, en ce que chaque plaque
io comprend deux feuilles polymériques scellées ensemble et dont l'une, au
moins, est dotée d'un réseau de rainures convergentes formant les canaux, et --
~- ~~~en-ce~qûë ~~lesdits~moyens d'expûlsion sont agences-dë mânièré ~à'
poûvôir agir
individuellement sur chaque canal.
De façon avantageuse, dispensateur selon l'invention présente encore les
is principales caractéristiques suivantes:
- le plateau réservoir est fermé, de façon étanche, par un couvercle
que traversent les canaux et les moyens de rempli$sage sont
agencés de manière à, établir une surpression dans l'espace
compris entre le couvercle et les cavités;
20 - les moyens de remplissage comportent un soufflet réunissant le
couvercle et son plateau par leur périphérie;
- chaque canal comporte un premier rétrécissement situé à proximité
de sa deuxième extrëmité et un deuxième rétrécissement situé à
cette extrémité et les moyens d'expulsion comportent un actionneur
piézo-électrique disposé sur une paroi extérieure du canal, entre
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ses deux rétrécissements, et ayant pour rôle de la déformer à cet
endroit de façon à réduire (épaisseur du canal;
les moyens d'expulsion comportent un deuxième actionneur piézo
électrique identique au premier et disposé en face de, lui sur l'autre
s paroi extérieure du canal; enfin,
- l'actionneur piézo-électrique est formé d'un empilement qui
comporte, en partant de la paroi extérieure du canal, une électrode
métallique inférieure, une couche d'isolation, une couche de
matériau piëzo-électrique, une nouvelle couche d'isolation et une
1o électrode métallique supérieure.
D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va
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G~'¿'l'C~âiû"uü'a:~câ~W cmï'i~ïçnc;:'~u~-i~cejcac~:-.
- les figures 1 et 2 représentent, respectivement vu de face et de
côté, un dispensateur selon (invention,
is - la figure 3 montre, disposés côte à côte, en respectant le rapport de
leurs dimensions, un plateau réservoir et un plateau récepteur;
- la figure 4 est une vue en coupe d'un canal, et
- la figure 5 montre, en coupe, la structure de l'actionneur associé à
chaque canal.
zo Les figures 1 et 2 montrent en 10 un plateau réservoir, en verre ou
plastique
rigide, doté d'une pluralité de cavités 12, disposées en matrice, dans chacune
desquelles est disposé un liqûide biologique 14 dont des échantillons doivent
être déposés, sous forme de micro-gouttes, sur un plateau récepteur
miniaturisé 16, également en verre ou plastique rigide (nylon).
2s On notera immédiatement, en se référant à la figuré 3 car, pour d'évidentes
raisons, cela n'apparaît pas sur les figures 1- et 2, que les deux plateaux
ont
des dimensions très différentes. Typiquement, le plateau réservoir 10 a une
surface d'.environ 100 cm2 (12.5 cm x 8.5 cm) et possède 384 cavités 12,
.ayant un volume d'environ 100 p,1, disposées en une matrice de 16 colonnes
3o de 24 rangées et distantes les unes des autres, centre à centre, d'environ
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4.5 mm. Par contre, le plateau récepteur 16 ne possède pas de cavités et a
une surface d'environ seulement 1 cm2 (1.2 cm x 0.8 cm).
Pour prélever du liquide contenu dans les cavités 12 et en projeter un réseau
de micro-gouttes sur le plateau récepteur 16, le dispositif selon l'invention
s comporte une pluralité de plaques de transfert souples 18 assemblées entre
elles. Ces plaques sont réalisées en polyimide, par exemple et ont une
épaisseur de l'ordre de 50 à 150 p,m.
Chaque plaque 18 comporte une partie inférieure en forme de trapèze isocèle
20, formant une interface fluidique, dont la grande base a sensiblement la
1o même longueur que la largeur l~ du plateau réservoir 10 et est crénelée de
manière à se terminer par autant de portions d'extrémités 22 que le plateau
réservoir comporte de colonnes de cavités 12, soit 16 dans l'exemple décrit.
Les créneaux sont dimensionnés de manière à ce que les portions 22
puissent pénétrer dans les cavités 12.
is L'interface fluidique 20 en forme de trapèze est prolongée, à partir de sa
petite
base, par une partie rectangulaire 24 dont la longueur correspond
sensiblement à la largeur 12 du plateau récepteur 16.
Chaque plaque souple 18 est dotée d'un faisceau de canaux 26 qui prennent
naissance dans chacune de ses portions d'extrémités 22 et se terminent,
~o parallèlement les uns aux autres, dans la partie supérieure 24.
Typiquement,
dans l'exemple de réalisation décrit, les canaux 26 sont alors dïstants, les
uns
des autres, centre à centre, de 0.5 mm.
Le dispositif selon l'invention comporte autant de plaques identiques 18 que
le
plateau réservoir 10 comporte de rangées, soit 24 dans l'exemple décrit, les
2s portions d'extrémités 22 de chaque plaque étant destinées à prendre place
dans l'une des colonnes du plateau.
Les plaques souples 18 sont rassemblées, à leur partie supérieure,
parallèlement les unes aux autres, dans un cadre 28, pour former une tête
d'impression dont la longueur correspond sensiblement à la longueur L2 du
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plateau récepteur 16 et dont la largeur, comme déjà mentionné, correspond
sensiblement à sa largeur 12.
II va de soi que les plaques pourraient aussi avoir une base de longueur
correspondant à la longueur L1 du plateau réservoir 10.
s Ainsi que le montrent les figures 1 et 2, le plateau réservoir 10 est fermé,
de
manière étanche, par un couvercle 30 traversé, également de manière
étanche, par les plaques souples 18. L'étanchéité sur la périphérie est
assurée par un soufflet 32 dont le rôle apparaîtra plus loin.
On se référera maintenant à la figure 4 qui montre, à plus grande échelle, la
io façon dont sont réalisées les plaques souples 18 et leurs canaux 26. II
apparait que ces plaques sont formées de-deux mmces_feuilles de plastique ".
____ _.,. ~, . ._~~~~_._~ ,_._._ _. _.__ ~._ ...__ ~~-
~~~ ~ , ~ ~ 34 et"36 dont l'une, la feuille supërieure 34 sur lafigure, a étéT
préalablement
gravée, par tout procédé bien connu de -l'homme de métier, pour dessiner le
contour des canaux 26 et qui sont ensuite assemblées l'une à l'autre par un
is procédé de laminage, également bien connu de l'homme de métier.
Typiquement, les feuilles 34 et 36 ont une épaisseur de 25 à 50 wm, alors que
les canaux 26 ont une profondeur de 10 à 30 ~m et une largeur de 30 à 1000
~,m. Le volume total d'un canal est d'environ 0.5 à 3 ~L.
Dans leur partie rectangulaire 24, les plaques 18 comportent, fixé sur leur
2o feuille supérieure 34, en face de chaque canal 26, un actionneur piézo
électrique 38 ayant pour rôle de déformer la feuille à cet endroit afin de
réduire l'épaisseur du canal. o
Au-dessus de l'actionneur 38, le canal 26 débouche à l'extérieur de la feuille
par un rétrécissement formant bec 40, tandis que, de l'autre côté, le canal
2s présente un rétrëcissement 42. Dans l'exemple décrit, le bec 40 et 1e
rétrécissement 42 ont la même profondeur, de 10 à 40 gym, et la même
largeur, de 40 à 90 ~.m. Les dimensions du rétrécissement peuvent même être
' inférieures à celles du bec.
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La figure 5 montre que l'actionneur 38 est formé d'un empilement qui
comporte, en partant de la feuille 34, une électrode métallique inférieure 44,
une couche d'isolation 46, une couche de matériau piézo-électrique 48, une
nouvelle couche d'isolation 50 et une électrode métallique supérieure 52. Les
s deux électrodes sont associées à des conducteurs électriques 54 permettant
la commande de l'actionneur.
Les électrodes 44 et 52 sont déposées par évaporation, tandis que les
couches d'isolation 46 et 50 sont déposées par plasma et la couche piézo-
électrique 48 est déposée par vaporisation à l'aide d'un magnétron.
1o Comme représenté sur la figure 1, les conducteurs électriques
d'alimentation
des différents actionneurs 38 aboutissent à un circuit de commande 56 qui,
sous les ordres d'un ordinateur 58, assure leur excitation.
En fonctionnement, l'ensemble formé par les plaques de transfert 18
assemblées est placé au-dessus du plateau réservoir 10 dont les cavités 12
1s contiennent les liquides 14 à transférer sur le plateau récepteur 16.
L'alignement est réalisé de manière à ce qu'après avoir traversé le couvercle
30, chacune des portions d'extrémités 22 des plaques de transfert 18 se
trouve à la verticale d'une cavité 12. Lorsque les extrémités des plaques sont
immergées dans le liquide, celui-ci est aspiré dans les différents canaux 26
2o par capillarité.
II est nécessaire ensuite d'appuyer sur le couvercle 30 pour comprimer le
soufflet 32 afin d'établir dans l'enceinte une surpression de quelques
millibars,
dont la valeur est lue sur un manomètre 60. Du fait de cette surpression, le
liquide continue sa montée dans les canaux 26, traverse les rétrécissements
2s 42 et se trouve stoppé au niveau des becs 40 par l'effet de tension de
surface.
Pour éjecter le liquide en direction du plateau récepteur 16, il suffit alors
de
donner l'ordre à l'ordinateur 58 d'appliquer aux bornes des électrodes 44 et
52
de chaque actionneur 38 une impulsion électrique qui provoque un
rétrécissement du canal 26 correspondant. Une partie du liquide qui s'y
3ô trouve, empêchée de revenir en arrière par le rétrécissër~nent-42-; est
ainsi
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éjectée par le bec 40 et projetée sur le plateau récepteur 16, à un endroit
bien
déterminé.
Le plateau récepteur 16 peut ainsi recevoir un réseau de micro-gouttes de
liquide formé du méme nombre de rangées et de colonnes que le plateau
s réservoir mais, comme déjà mentionné, à une échelle fortement réduite.
Typiquement, dans l'exemple décrit, les micro-gouttes peuvent avoir un
volume de 20 pL à 1 nL.
Les plaques 18 contenant un volume de liquide largement supérieur à celui
des micro-gouttes éjectées, plusieurs plateaux récepteurs 16 peuvent être
1o ensuite utilisés à la suite les uns des autres.
~ans une variante de réalisation non représentée, les canaux 26 pourraient
étre soumis à l'effet de deux actionneurs identiques 38 disposés face à face à
l'extérieur de chacune des feuilles formant les plaques souples. Une telle
disposition permet de mieux maîtriser la direction d'éjection des gouttes.
1s La présente description a été faite en se référant à une plaque souple
formée
de deux feuilles scellées ensemble. En variante, la plaque pourrait étre
formée de trois feuilles, dont la feuille centrale serait percée d'ouvertures
traversantes formant les canaux.
Ainsi est réalisé un dispensateur de liquide qui présente les principaux
2o avantages suivants:
- du fait que la tête d'impression 24 et l'interface fluidique 20 sont
réunies une seule pièce, les plaques 18, le trajet du liquide est
parfaitement homogène et il ne subsiste qu'un volume mort
minimum ;
2s - du fait que les plaques 18 sont souples, l'adaptation à des plateaux
réservoirs 10 et des plateaux récepteurs 16 de différentes
dimensions est facilitée;
- du fait que les plaques souple 18 sont formées de deux feuilles
polymériques assemblées par laminage et non collées, toute
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contamination par la colle des liquides traversant les canaux est
éliminée;
- du fait que chaque canal 26 peut être commandé individuellement
par une impulsion qui éjecte une seule micro-goutte, l'homogénéité
s en volume des micro-gouttes peut être assurée.
