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RÉSUMÉ
Apparue en 1990, la technologie microfluidique a ouvert des voies de compréhension de différents phénomènes dans des disciplines variées. Elle a en même temps permis de développer des nouveaux systèmes complexes pour de nouvelles applications. Cet article établit l’état de l’art de la microfluidique dans le domaine des émulsions (simples, multiples, de Pickering) et des systèmes colloïdaux complexes (microcapsules, microgels, vésicules), en partant d’une description des généralités dans chaque domaine jusqu’à détailler certaines applications.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Véronique NARDELLO-RATAJ : Ingénieur de l’École Supérieure de Chimie Organique et Minérale (ESCOM) - Docteur de l'Université de Lille 1 - Professeure à l’Université de Lille, - Laboratoire UCCS UMR 8181, 59655 Villeneuve d'Ascq, France
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Jesús Fermin ONTIVEROS : Ingénieur de l’École de Génie Chimique de l’Université des Andes (ULA), Vénézuela - Docteur de l'Université de Lille 1 - Maître de Conférences à l'École Nationale Supérieure de Chimie de Lille (ENSCL), Laboratoire UCCS UMR 8181, 59655 Villeneuve d'Ascq, France
INTRODUCTION
En 1960, Richard Feynman (prix Nobel de Physique 1965) publia un article à la suite d’une conférence avant-gardiste intitulé « There’s Plenty of Room at the Bottom » prévoyant une grande révolution dans les technologies de miniaturisation. Bien que cette miniaturisation avait déjà commencé dans les années 40 avec l’invention du transistor, les avancées dans le domaine étaient restreintes à l’électronique. Feynman imagina de nouveaux champs d’applications et le développement des procédés de fabrication des dispositifs miniaturisés, inspirés notamment des systèmes biologiques complexes. Les propos de Feynman commencent à prendre forme dès la fin des années 70, avec les recherches pour le développement de l’impression à jet d’encre et avec l’apparition en 1984 du premier microsystème électromécanique (MEMS). Les MEMS sont des dispositifs électromécaniques avec une taille micrométrique qui fonctionnent comme capteurs et/ou actionneurs. Le développement des techniques pour la réalisation de ces microsystèmes a ouvert le chemin, au début des années 90, à la manipulation des fluides à cette échelle et à la naissance de la microfluidique.
La microfluidique est une science en plein essor qui s’intéresse au comportement des fluides s’écoulant dans des canaux de dimensions micrométriques. L’idée de développer un « laboratoire sur puce » trouve de nombreuses applications notamment en biochimie et analyse médicale, mais aussi en chimie fine. La formation de gouttes de taille homogène et la maîtrise du transfert de masse et de quantité de mouvement à cette échelle ont amené les scientifiques à s’y intéresser pour diverses applications comme l’encapsulation, l’obtention de micro ou nanoparticules et de fibres, la synthèse organique qui utilise des réactifs toxiques (et dont les volumes à utiliser diminuent radicalement), entre autres.
On estime à 28 milliards de dollars le marché de la microfluidique en 2023. De nombreuses start-up, souvent liées à des groupes de recherche universitaires dans le domaine, ont vu le jour. Avec les développements de la microfluidique, à la fois pour comprendre des phénomènes fondamentaux (science) et envisager des nouvelles applications (technologie), de nombreux défis sont encore à relever, e.g. l’utilisation de matériaux peu coûteux et performants afin de rendre accessible l’utilisation des certains dispositifs ou la production à grande échelle des systèmes colloïdaux complexes.
Après un court rappel sur les généralités (grandeurs physiques, fabrication des puces) et les applications de la microfluidique, la formulation des émulsions (directes, inverses, multiples et de Pickering) ainsi que des microcapsules, microgels et vésicules est détaillée dans cet article.
Comme il est d'usage dans la profession, les pourcentages cités sont, sauf indication contraire, des teneurs volumiques.
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Conclusion
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5. Systèmes colloïdaux complexes
Des systèmes colloïdaux complexes transportant des médicaments, des enzymes, des protéines, des cellules ou des particules fonctionnelles telles que des nanoparticules magnétiques ou fluorescentes offrent une large gamme d'applications potentielles dans les domaines de la biomédecine, des matériaux, du cosmétique ou encore de l’alimentaire. Les caractéristiques de ces systèmes, telles que la monodispersité, la capacité à encapsuler des principes actifs et à les libérer de façon contrôlée au moment désiré, la traçabilité de leur trajectoire sont cruciales pour qu'ils assurent efficacement leur(s) fonction(s). La technologie microfluidique, qui permet de produire des émulsions de diverses morphologies avec une taille contrôlée précise, a été largement utilisée pour générer divers systèmes colloïdaux tels que des microcapsules avec une coque polymérisée, des microgels ou encore des vésicules . Un schéma simplifié de ces structures est montré figure 10.
5.1 Microcapsules
Selon l’IUPAC une microcapsule est une « particule (0,1 et 100 µm) creuse composée d'une enveloppe solide entourant un espace formant un noyau disponible pour les substances piégées de manière permanente ou temporaire » .
Les microcapsules sont généralement...
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Systèmes colloïdaux complexes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MANZ (A.), GRABER (N.), WIDMER (H.ÁM.) - Miniaturized total chemical analysis systems : a novel concept for chemical sensing. - Sens. Actuators B Chem., 1, 244-248 (1990).
-
(2) - MANZ (A.), MIYAHARA (Y.), MIURA (J.), WATANABE (Y.), MIYAGI (H.), SATO (K.) - Design of an open-tubular column liquid chromatograph using silicon chip technology. - Sens. Actuators B Chem., 1, 249-255 (1990).
-
(3) - WHITESIDES (G.M.) - The origins and the future of microfluidics. - Nature, 442, 368-73 (2006).
-
(4) - BEEBE (D.J.), MENSING (G.A.), WALKER (G.M.) - Physics and Applications of Microfluidics in Biology. - Annu. Rev. Biomed. Eng., 4, 261-286 (2002).
-
(5) - ATENCIA (J.), BEEBE (D.J.) - Controlled microfluidic interfaces. - Nature, 437, 648-55 (2005).
-
(6) - STONE (H.A.), STROOCK...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
CAPSUM.
DESCROIX Stéphanie, JULLIEN Marie Caroline, REYSSAT Mathilde. ESPCI. Les Conférences expérimentales. La microfluidique : une plomberie à l’échelle d’une puce.
Diagnostics for all.
Dolomite.
https://www.dolomite-microfluidics.com/
Groupement de recherche sur la micro et nanofluidique (GDR MNF).
https://www.gdrmicrofluidique.com/le-gdr/
Groupement de recherche sur la synthèse en flux (GDR Synth_Flux). En cours de construction.
Institut Pierre-Gilles de Gennes pour la microfluidique
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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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