DISPOSITIF ET PROCEDE POUR LA SEPARATION DES COMPOSANTES D'UNE SUSPENSION ET EN PARTICULIER DU SANG

L'invention porte sur un dispositif et un procédé pour la séparation des composantes d'une suspension liquide, en particulier du sang. On entend par suspension liquide une suspension comportant une phase continue liquide et au moins une phase dispersée qui peut être soit liquide (gouttelettes immiscibles avec la phase continue), soit solide (particules, telles que les cellules du sang), les propriétés mécaniques globales de la suspension étant essentiellement celles d'un liquide. La séparation des composantes d'une suspension se fait le plus souvent par centrifugation, à l'aide de centrifugeuses mécaniques. Le principe de la centrifugation est que, lorsqu'un échantillon de la suspension à séparer est mis en rotation rapide, la force centrifuge tend à entraîner la composante la plus dense (par exemple, les cellules du sang dispersées dans le plasma) vers l'extérieur.

En variante, mais seulement pour les suspensions présentant une phase dispersée solide, on peut avoir recours au filtrage.

Or, les dispositifs conventionnels de centrifugation ou de filtrage ne se prêtent pas à être miniaturisés ; cela est particulièrement vrai pour les centrifugeuses, qui présentent des parties en mouvement.

Il serait désirable de disposer de dispositifs de séparation, en particulier pour le sang, pouvant être miniaturisés, et de préférence intégrés à un dispositif microfluidique.

L'article de Wei Wang et al. « Microfluidic centrifugation in a spiral microchannel », actes de la 10 ^e « International Conférence on

Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences » - μTAS2006, 5 - 9 novembre 2006, Tokyo, Japon, décrit un procédé de centrifugation microfluidique. Le principe de ce procédé consiste à faire circuler du sang dans un conduit enroulé en spirale ; l'accélération centrifuge peut atteindre 2000g (g étant l'accélération de pesanteur au niveau de la mer, environ 9,81 m/s ² ), ce qui entraîne une concentration des cellules du sang dans la partie externe du conduit. Cependant, ce procédé n'est pas satisfaisant, car les

globules blancs ne sont concentrés que d'un facteur 6 tandis que les globules rouges, plus légers car plus petits, ne sont pratiquement pas concentrés.

La séparation des suspensions dans des dispositifs microfluidiques connus de l'art antérieur est susceptible d'être gênée par l'apparition d'écoulements secondaires qui tendent à brasser la suspension que l'on voudrait séparer. Parmi ces écoulements secondaires, il convient de mentionner plus particulièrement les vortex (ou cellules) de Dean, qui apparaissent dans les conduits courbes sous l'effet de la force centrifuge, des forces visqueuses (ou éventuellement turbulentes) résistantes et du gradient de pression moteur. Les vortex de Dean se caractérisent par un mouvement secondaire, superposé à l'écoulement principal axial, qui est constitué de deux cellules contrarotatives dans le plan de section dudit écoulement principal

Ces vortex, connus de l'art antérieur, sont utilisés en microfluidique pour améliorer le mélange de liquides différents ; par conséquent ils sont généralement considérés comme nuisibles lorsqu'on cherche à effectuer l'opération inverse, à savoir la séparation des composantes d'un mélange hétérogène.

L'article de Shinichi Ookawara et al, « Numerical study on development of particle concentration profiles in a curved microchannel », Chemical Engineering Science 61 , 2006, pages 3714 - 3724 étudie l'influence des cellules de Dean sur la séparation des particules contenues dans une suspension s'écoulant dans un conduit en forme d'arc de cercle. Il résulte de cette étude que, lorsque la suspension est très diluée, les particules ont tendance à se concentrer au centre des cellules de Dean. Comme la force centrifuge décale les centres des cellules vers l'extérieur du conduit, cela permet une certaine séparation, de moins pour les particules de dimensions relativement grandes (diamètre équivalent d de plus de 10 μm). Les auteurs atteignent par simulation une concentration maximale d'un facteur 15 pour des particules de 20 μm de diamètre présentant une densité 1 ,19 g/cm ³ dans une suspension diluée dans laquelle la fraction volumique de la phase dispersée par rapport à la phase continue est de l'ordre de 6-10 ⁴ .

Mais l'efficacité de la séparation décroît rapidement à l'augmenter de la concentration de la suspension et au diminuer de la taille des particules. Le procédé mis en œuvre par ces auteurs ne peut donc pas être appliqué à la séparation des cellules du sang, dont la fraction volumique est de l'ordre de 0,45.

Un but de l'invention est de remédier à certains au moins des inconvénients de l'art antérieur et procurer un dispositif de séparation des composantes d'une suspension liquide, et en particulier des cellules du sang, pouvant être aisément miniaturisé. D'une manière avantageuse, le dispositif de l'invention doit présenter une structure simple et pouvoir être fabriqué de manière économique.

Un tel but peut être atteint par un dispositif pour la séparation d'une suspension liquide constituée par une phase continue liquide et au moins une phase dispersée, lesdites phases ayant des densités différentes, ledit dispositif comportant : un premier conduit présentant au moins une portion courbe ; au moins un deuxième conduit, présentant également une portion courbe, s'étendant parallèlement audit premier conduit du côté extérieur de la portion courbe de ce dernier ; et au moins une cloison, séparant lesdits premier et deuxième conduits et présentant à son tour une portion courbe ; caractérisé en ce que ladite cloison présente une fente longitudinale continue ou discontinue, s'étendant le long de la portion courbe de la cloison et mettant en communication lesdits premier et deuxième conduits de manière à permettre des échanges de matière entre eux, ladite fente étant située sensiblement à mi-hauteur de ladite cloison et présentant une hauteur, mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de cette dernière, sensiblement inférieure à celle de la cloison.

Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention :

Le dispositif peut comporter en outre au moins un troisième conduit, présentant également une portion courbe, s'étendant parallèlement audit deuxième conduit du côté extérieur de la portion courbe de ce dernier ; et au moins une deuxième cloison, séparant lesdits deuxième

et troisième conduits et présentant à son tour une portion courbe ; ladite deuxième cloison présentant une deuxième fente longitudinale continue ou discontinue, s'étendant le long de la portion courbe de cette dernière et mettant en communication lesdits deuxième et troisième conduits, les dimensions de cette deuxième fente étant inférieures à celle de la fente mettant en communication lesdits premier et deuxième conduits; ladite deuxième fente étant située sensiblement à mi-hauteur de ladite deuxième cloison et présentant une hauteur, mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de cette dernière, sensiblement inférieure à celle de ladite cloison. - Les dimensions de ladite ou chaque fente peuvent être suffisantes pour permettre des échanges de ladite ou d'au moins une phase dispersée entre les deux conduits qu'elle met en communication. En particulier ladite ou chaque fente peut présenter une hauteur h, mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de la cloison, comprise entre 0,05 μm et 2 mm.

En variante, les dimensions de ladite fente peuvent être suffisamment petites pour empêcher l'échange de ladite ou d'au moins une phase dispersée entre les deux conduits. En particulier ladite fente peut présenter une hauteur h, mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de la cloison, comprise entre 0,05 μm et 15 μm.

Ladite ou au moins une desdites fentes peut être une fente discontinue constituée par une pluralité d'ouvertures élémentaires alignées le long de la portion courbe de ladite cloison, lesdites ouvertures élémentaires présentant une forme en entonnoir de manière à favoriser le passage unidirectionnel d'au moins une phase dispersée entre les conduits qu'elle met en communication.

En variante, ladite ou chaque fente peut être une fente continue.

La portion courbe de ladite ou chaque cloison de séparation peut présenter un rayon de courbure compris entre 50 μm et 20 cm, et de préférence entre 2 mm et 50 mm.

Ladite ou chaque fente peut s'étendre sur une longueur L comprise entre 10 mm et 20 m.

Lesdits conduits peuvent présenter une hauteur maximale H, H', mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de la cloison, comprise entre 20 μm et 10 mm et une largeur, mesurée parallèlement au rayon de courbure, comprise entre 0,05 et 10 fois ladite hauteur.

Lesdits conduits peuvent présentent une section sensiblement rectangulaire, ou bien présenter des parois convergentes en direction de ladite ou de l'une desdites fentes, ou encore une section sensiblement cylindrique.

Lesdits conduits peuvent présenter, à l'une de leurs extrémités, une section d'entrée commune pour l'introduction de ladite suspension à séparer.

En variante, l'un seul desdits conduits peut présenter, à l'une de ses extrémités, une section d'entrée pour l'introduction de ladite suspension à séparer, l'autre ou les autres conduits étant fermés au niveau de l'extrémité correspondante. Dans ce cas, le ou les conduits fermés au niveau de l'extrémité d'entrée peuvent également être fermés au niveau de l'extrémité opposée, et/ou présenter une structure discontinue. - Lesdits conduits et cloison ou cloisons peuvent être enroulés en forme de spirale, ou bien être bouclés sur eux-mêmes de manière à former un anneau fermé.

Le dispositif peut présenter une structure planaire, ou bien être constitué par un empilement de dispositifs élémentaires (ayant une structure planaire). Avantageusement, ledit dispositif planaire ou chaque dispositif élémentaire planaire peut être réalisé par gravure à partir d'au moins un substrat planaire. Plus particulièrement, ledit dispositif ou chaque dispositif élémentaire peut être réalisé en disposant face à face deux substrats planaires gravés de manière à définir lesdits conduits et ladite ou lesdites fentes.

Le dispositif de l'invention peut comporter également un moyen pour injecter ladite suspension à séparer dans au moins un desdits conduits.

Le dispositif de l'invention peut comporter également un moyen pour impartir à ladite suspension une vitesse axiale d'écoulement dans au moins un desdits conduits. Ce moyen peut être une pompe d'injection de ladite suspension dans ledit ou chaque conduit ou une micropompe intégrée au dispositif. En tout cas, ledit moyen peut être adapté pour impartir à ladite suspension une vitesse d'écoulement comprise entre 0,1 mm/s et 10 m/s, et de préférence entre 10 cm/s et 1 m/s.

Au moins l'un desdits conduits peut comporter également un ensemble d'électrodes adaptées pour engendrer un champ électrique dont les lignes de force convergent vers ladite fente ou divergent à partir de cette dernière. - Au moins l'un desdits conduits peut présenter, sur sa paroi intérieure, des rainures s'étendant en biais par rapport à une direction axiale dudit conduit, lesdites rainures étant adaptées pour favoriser l'instauration de vortex secondaires lorsqu'un liquide s'écoule dans ledit conduit. - Au moins l'un desdits conduits peut comporter également un ensemble d'électrodes pour engendrer un champ électrique de configuration adaptée pour favoriser, par effet électroosmotique, l'instauration de vortex secondaires lorsqu'une suspension s'écoule dans ledit conduit.

Le dispositif peut comporter également un moyen pour mettre en rotation l'ensemble constitué par lesdits conduits et la ou les closions les séparant, l'axe de rotation étant sensiblement perpendiculaire au rayon de courbure de ladite ou de chaque cloison.

Un autre objet de l'invention est un procédé pour la séparation d'une suspension liquide constituée par une phase continue liquide et au moins une phase dispersée, lesdites phases ayant des densités différentes, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à : introduire ladite suspension liquide dans un dispositif selon l'une

des revendications précédentes ; impartir à ladite suspension une vitesse axiale d'écoulement suffisante pour permettre le développement d'écoulements secondaires ; et extraire, en correspondance d'une section de sortie d'au moins un desdits canaux, une fraction de ladite suspension enrichie en au moins une desdites phases.

Selon des modes particuliers de réalisation du procédé de l'invention :

Le dispositif peut présenter au moins une fente de dimensions suffisantes pour permettre des échanges de ladite ou d'au moins une phase dispersée de la suspension à séparer entre les deux conduits mis en communications par ladite fente ; et la vitesse d'écoulement de la suspension à séparer dans le dispositif peut être suffisante pour permettre le transfert de la phase la plus dense du conduit situé du côté intérieur de ladite fente vers le conduit situé du côté l'extérieur sous l'effet combiné de la force centrifuge et des écoulements secondaires.

L'écoulement de la suspension à séparer peut être caractérisé par un nombre de Dean compris entre 1 et 100 et de préférence entre 10 et 50.

Ledit dispositif peut être mis en rotation autour d'un axe sensiblement perpendiculaire au rayon de courbure de ladite ou de chaque cloison.

Ladite phase dispersée, ou au moins une desdites phases dispersées, de la suspension à séparer peut être constituée par des particules solides présentant une densité supérieure à celle de ladite phase continue liquide. En particulier, ladite suspension à séparer peut être du sang.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : les figures 1 et 2 des vues en coupe, respectivement longitudinale et transversale, d'un dispositif de l'invention comportant deux conduits parallèles ;

la figure 3A, une vue en coupe transversale de ce dispositif, appliqué à la séparation des cellules du sang ; la figure 3B, une vue en coupe transversale d'un dispositif de l'invention comportant trois conduits parallèles, également appliqué à la séparation des cellules du sang ; les figures 4A et 4B, des vues en coupe longitudinale de dispositifs de l'invention dans lesquels le conduit extérieur est fermé à ses deux extrémités; les figures 5A à 5D, des vues en coupe transversale de dispositifs de l'invention comportant des conduits de formes différentes ; les figures 6A, 6B et 6C des vues de détail de la cloison de séparation de dispositifs selon différents modes de réalisation de l'invention ; la figure 7A, une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de l'invention présentant une structure planaire et une forme en spirale ; la figure 7B, une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de l'invention présentant une structure planaire et une forme en anneau ; - la figure 8, une vue en section d'un dispositif selon la figure 7A ou 7B, mettant en évidence sa structure formée par l'assemblage de deux substrats planaires gravés ; et la figure 9, une vue en élévation d'un dispositif constitué par une superposition de dispositifs élémentaires de type planaire ; - la figure 10, un moyen qui peut être utilisé pour impartir une vitesse d'écoulement à un liquide dans un dispositif de l'invention ; les figures 11 , 12 et 13 des vues en coupe transversale de dispositifs comportant des moyens électriques ou hydrauliques d'aide à la séparation ; et la figure 14, un dispositif selon une variante de l'invention dans laquelle l'ensemble constitué par les conduits et la ou les cloisons les séparant peuvent être mis en rotation.

Avant de décrire en détail les différents modes de réalisation de l'invention, il est opportun d'apporter quelques précisions sur les cellules (vortex) de Dean.

Dans un conduit droit dans lequel s'écoule un fluide, le profil de vitesse axiale dudit fluide décroît du centre du conduit vers la paroi, où elle s'annule. Ce profil, dit de Poiseuille, résulte en tout point d'un équilibre entre les forces visqueuses (ou éventuellement turbulentes) résistantes et le gradient de pression moteur, qui est axial et uniforme dans le plan de section de l'écoulement. Afin de s'opposer à la force centrifuge du fluide, qui est proportionnelle au carré de la vitesse axiale, dans une conduite courbe, il naît en outre un gradient de pression radial, dirigé vers le centre de la courbure et donc de la partie externe du conduit vers sa partie interne. La vitesse axiale étant importante au centre de l'écoulement, c'est prioritairement dans cette zone centrale que s'établit cet équilibre. A la périphérie en revanche, où les forces centrifuges décroissent, le gradient de pression qui a été créé au centre ne peut être compensée que par les forces visqueuses. Ces dernières mettent alors en mouvement le fluide qui longe ainsi les parois supérieure et inférieure du conduit, depuis l'extérieur jusqu'à l'intérieur. Suite à des considérations de conservation de masse, le fluide revient de l'intérieur vers l'extérieur en passant par le plan médian du conduit. Globalement, il en résulte un mouvement secondaire (dans le plan de section de l'écoulement principal) constitué de deux cellules contra rotatives qui se superpose à l'écoulement axial.

Le développement des écoulements secondaires peut être caractérisé par un nombre adimensionnel dit nombre de Dean et défini par , _Wc étant la vitesse axiale moyenne de l'écoulement, D _h le diamètre hydraulique du conduit, R _c son rayon de courbure et v la viscosité cinématique de la suspension. En général, un nombre de Dean compris entre 1 et 100, et de préférence entre 10 et 50, s'avère adéquat à la mise en œuvre de l'invention.

Un dispositif selon l'invention est représenté, dans sa forme la plus simple, sur les figures 1 , 2 et 3A. Un tel dispositif est constitué essentiellement par deux conduits parallèles C1 et C2, comportant chacun une portion courbe C'1 , C'2 respectivement. D'une manière conventionnelle, on appelle « premier conduit » C1 le conduit situé du côté intérieur de la courbure, et « deuxième conduit » C2 le conduit situé du côté extérieur.

Les conduits C1 , C2 sont séparés par une cloison CL ₁ présentant à son tour une portion courbe CL'. Une fente F s'étend le long de la partie courbe CL' de cette cloison, mettant en communication les deux conduits C1 , C2 de manière à permettre des échanges de matière entre eux. Le terme « fente » doit être compris d'une manière générale : il peut s'agir d'une fente continue, mais également d'une fente discontinue, constituée par une pluralité d'ouvertures élémentaires alignées le long de la cloison.

La figure 1 montre une coupe longitudinale du dispositif selon la ligne l-l de la figure 2 ; la figure 2 montre une coupe transversale du dispositif selon la ligne H-Il de la figure 1.

Dans l'exemple considéré ici, les deux conduits C1 et C2 présentent une section constante de forme rectangulaire, dont la hauteur H, H' peut être comprise entre 20 μm et 10 mm et la largeur L, L" entre 0,05 et 10 fois ladite hauteur ; on entend par « hauteur » la dimension mesurée perpendiculairement au rayon de courbure. Dans le cas de la figure 2, les deux conduits sont identiques : H=H', L=L' ; cela n'est qu'un choix parmi d'autres et ne constitue nullement une caractéristique essentielle de l'invention. La fente F, du type continu, a une hauteur h comprise entre

0,05 μm et 2 mm, une longueur L dans le sens de l'écoulement comprise entre 10 mm et 20 m et une dimension radiale I, égale à la largeur de la cloison CL, comprise entre 1 μm et 1 mm. Le rapport h/H ou h/H' est généralement compris entre 2,5-10 ^"3 et 0,2. La figure 2 montre que la fente F subdivise la cloison CL en une partie supérieure et une partie inférieure de hauteur α et β respectivement, avec α+β+h=H. Pour des raisons qui apparaîtront clairement

par la suite, il est préférable que la fente F soit située approximativement à mi-hauteur de la cloison CL ; plus généralement, le rapport α/β est compris, de préférence entre 0,1 et 0,9.

La portion courbe CL' de la cloison CL a un rayon de courbure R ₀ qui est généralement compris entre 50 μm et 20 cm, et de préférence entre 2 et 50 mm.

Comme expliqué plus haut, lorsqu'un liquide s'écoule dans les conduits C1 et C2, par exemple dans le sens indiqué par les flèches E, des écoulements secondaires apparaissent, et plus particulièrement des vortex de Dean VD. On peut voir que dans chaque conduit se développent deux vortex symétriques, l'un dans la partie supérieure du conduit et l'autre dans la partie inférieure. L'écoulement secondaire est dirigé vers l'extérieur au niveau de la section médiane des conduits (à mi-hauteur), et vers l'intérieur au niveau des parois supérieures et inférieures des conduits. La suspension à séparer est introduite dans le dispositif au niveau de son extrémité d'entrée EX1 avec une vitesse appropriée. L'introduction de la suspension peut se faire notamment à l'aide d'une pompe à seringue.

La figure 3A illustre le principe de fonctionnement du dispositif des figures 1 et 2, appliqué au fractionnement du sang. Le sang est une suspension comportant une phase continue liquide, le plasma PL, et une pluralité de phases dispersées solides plus denses que ladite phase continue, les cellules ; dans un souci de simplicité, on ne considère que deux phases dispersées, les « globules blancs » GB (qui, en réalité, sont à leur tour diversifiés) et les « globules rouges », GR, plus nombreux et de plus faibles dimensions. La fraction volumique cumulée des phases dispersées est d'environ 0,45. Il est important d'observer que les globules blancs et rouges GB, GR (qui ne sont pas représentés à l'échelle) ont un diamètre d inférieur à la hauteur h de la fente : ils peuvent donc passer d'un conduit à l'autre par l'intermédiaire de cette dernière.

Conformément à l'invention, du sang S est injecté dans les deux conduits C1 et C2 au niveau de l'extrémité d'entrée EX1 du dispositif, et

des vortex de Dean apparaissent au sein de son écoulement laminaire. Dans le premier conduit C1 , disposé du côté intérieur, ces vortex de Dean ont l'effet de rapprocher les cellules du sang GB, GR, de la fente F. Ensuite, la force centrifuge FC pousse ces dernières vers l'extérieur, et donc vers le deuxième conduit C2 à travers la fente F. Dans le deuxième conduit C2, disposé du côté extérieur, la force centrifuge et l'entraînement par les vortex de Dean contribuent à éloigner les cellules GB, GR de la fente F et à empêcher leur diffusion vers le premier conduit C1. Au final, au niveau de l'extrémité de sortie EX2 du dispositif, on obtient une concentration des cellules dans le deuxième conduit C2.

On observe que le courant dirigé vers la fente F induit par les vortex de Dean dans le premier conduit est localisé à mi-hauteur de ce dernier. C'est pour cette raison qu'il est généralement préférable que la fente F soit située à mi-hauteur de la cloison CL. On considère maintenant plus en détail le principe de fonctionnement du dispositif de la figure 3A.

Le gradient de pression axial commun aux deux conduits C1 et C2 s'étend en effet à l'intérieur de la fente F d'hauteur h et de largeur I. L'écoulement de vitesse moyenne w _f (vitesse axiale) qui s'y manifeste est un écoulement de Poiseuille dont la vitesse locale décroît depuis le centre jusqu'à se raccorder avec celle les écoulements axiaux dans les conduits adjacents. Ainsi, au sein de la fente et également dans son voisinage, il apparaît qu'une particule de diamètre d est soumise à une force centrifuge motrice à laquelle s'oppose une force de traînée. La vitesse de transit V _t d'un canal à un autre (perpendiculaire à la vitesse axiale w _f ), résultant de l'équilibre de ces deux forces et pour un liquide porteur immobile radialement, est

Vt oc (d/h) ² (Rk) ² [(ρ _g /pc)-l](v/Rc) où R ^f _e est le nombre de Reynolds associé à la fente, Rj. = Wf h / v , v étant la viscosité cinématique de la phase continue de la suspension, p _c sa densité et p _g la densité des particules formant la phase dispersée. Le transfert d'une particule, depuis le premier conduit C1 jusqu'au second C2 est réalisé si pg est supérieur à p _c . Ce premier conduit est dit

émetteur et le second récepteur. Simultanément une particule dans le second conduit ne peut être transférée dans le premier. Les propositions inverses sont vraies si p _c est supérieur à P ₃ .

Pour estimer la trajectoire de la particule, il faut également tenir compte d'un effet d'entraînement si le liquide porteur est mobile. Or des écoulements secondaires apparaissent dans la fente, comme dans les conduits adjacents. Pour ce qui concerne la fente, ces écoulements dont l'échelle V _s est donnée par Vs oc (R^) ³ (v/R _c ) sont des perturbations. Afin que

V ₅ reste négligeable par rapport V _t , on voit qu'un moyen est de réduire le nombre de Reynolds R ^f _e en dessous de l'unité. Un autre moyen plus avantageux est que (d/h) ² soit le plus grand possible, ce qui signifie que la hauteur h de la fente F doit varier entre une fraction de d (les globules sont déformables) et quelques fois d ; typiquement, h peut être compris entre 0,1d et 1Od. Le dispositif de la figure 3B se différencie de celui des figures

1 à 3A en ce qu'il comporte également un troisième conduit C3, disposé à l'extérieur du conduit C2 et séparé de ce dernier par une deuxième cloison CL2, le long de laquelle court une deuxième fente F2. La deuxième fente F2 présente une hauteur h2 qui est inférieure à la hauteur h de la fente F mettant en communication le premier et le deuxième conduit, et qui est même inférieure au diamètre des globules blancs GB, mais supérieure à celui des globules rouges GR. Comme expliqué plus haut, l'effet combiné de la force centrifuge et de l'entraînement par les vortex de Dean induit une migration des cellules GB, GR du premier vers le deuxième conduit. Ces mêmes forces auraient tendance à induire une migration des cellules du deuxième vers le troisième conduit, mais seuls les globules rouges peuvent traverser la deuxième fente F2. On obtient ainsi un fractionnement complet du sang : le plasma PL reste majoritairement dans le premier conduit C1 , les globules blancs GB se concentrent dans le deuxième conduit C2 et les globules rouges GR dans le troisième conduit C3.

Un dispositif selon l'invention peut également être utilisé pour la séparation partielle d'une suspension dans laquelle les particules constituant la phase dispersée sont trop grandes pour pouvoir traverser la fente F. Dans ce cas, la suspension est injectée dans le conduit interne C1 , et la force centrifuge pousse la phase continue vers le conduit externe C2, tandis que la fente F agit comme un filtre pour retenir lesdites particules. Dans ce mode de réalisation de l'invention, les cellules de Dean ont essentiellement la fonction d'empêcher l'accumulation des particules au niveau de la fente, ce qui pourrait gêner le transfert de phase continue du conduit interne vers le conduit externe.

Dans les dispositifs des figures 1 à 3B, les conduits présentent une section constante et la suspension à séparer est introduite dans une section d'entrée commune SX1. Ces caractéristiques ne sont cependant pas essentielles. Ainsi, par exemple, il est possible de n'introduire la suspension que dans une section d'entrée d'un seul conduit, par exemple le premier, tandis que les autres conduits sont fermés à leur extrémité correspondante. Particulièrement dans ce cas, il est opportun que la section des conduits ne soit pas constante. Ainsi, le conduit dans lequel on injecte la suspension pourra se rétrécir progressivement, tandis que les conduits présentant une extrémité fermée, qui sont initialement vides et se remplissent progressivement à travers les fentes correspondantes, pourront présenter une section croissante.

Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, l'introduction de la suspension à séparer peut se faire au niveau de l'extrémité d'entrée EXV d'un seul conduit, tandis que l'autre ou les autres conduits sont fermés aux deux extrémités EX1", EX2" pour constituer des sortes de poches de collecte pour les phases séparées. C'est en particulier le cas du dispositif de la figure 4A, dans lequel le sang S est introduit dans le premier conduit C1 , les cellules GB, GR se concentrent dans le deuxième conduit C2, fermé à ses extrémités et à la sortie EX2' du premier conduit on récupère essentiellement du plasma PL pur.

Dans la variante de la figure 4B, le deuxième conduit C2 est discontinu, étant segmenté par des cloisons radiales CLR.

Un point commun entre les différents modes de réalisation est l'utilisation d'une structure comportant une pluralité de conduits courbes communiquant par l'intermédiaire de fentes. Cette structure empêche que les écoulements secondaires induisent un brassage généralisé de la suspension qui s'opposerait à la séparation. Localisés dans chaque conduit, les écoulements secondaires peuvent donc avoir un rôle bénéfique en coopérant avec la force centrifuge pour rapprocher ou éloigner, en fonction du mode de réalisation considéré, la phase dispersée de la suspension des fentes reliant les conduits entre eux.

Plus précisément, les cellules de Dean accomplissent trois fonctions distinctes :

- elles balayent toutes les particules dans le conduit émetteur de particules (C1 , dans le cas de particules plus denses que la phase continue de la suspension, C2 dans le cas opposé) et les conduisent par entraînement devant la fente F ;

- elles disposent les particules devant la fente dans une zone où le liquide porteur s'immobilise progressivement de sorte que la force centrifuge soit prépondérante vis a vis des forces d'entraînement ; et

- dans le conduit récepteur, elles éloignent les particules de la fente F.

La section transversale des conduits d'un dispositif selon l'invention ne doit pas nécessairement être rectangulaire. D'autres formes peuvent s'avérer avantageuses, notamment pour diriger les particules vers la fente. Ainsi, dans les modes de réalisation des figures 5A et 5B, le premier conduit présente des parois PC1 , PC2 qui convergent vers la fente F. Ainsi le transfert unidirectionnel de particules du premier au deuxième conduit se trouve favorisé par un effet d'entonnoir. Un résultat semblable peut être obtenu en utilisant des conduits présentant une section cylindrique, comme le conduit C1 du dispositif de la figure 5C et les conduits C1 et C2 du dispositif de la figure 5D.

Les figures 6A, 6B et 6C montrent trois modes de réalisation possibles de la cloison CL. Plus précisément, chacune de ces figures représente la partie inférieure d'une cloison d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention. Dans le cas de la figure 6A, chaque partie de la cloison CL est constitué d'une paroi continue, CL, d'hauteur β (pour la partie inférieure) ou α (pour la partie supérieure). Il en résulte une fente continue d'hauteur h=H-α-β.

Dans le cas de la figure 6B ₁ chaque partie de la cloison CL est constitué d'une paroi continue, CL _A d'hauteur β (pour la partie inférieure) ou α (pour la partie supérieure). Cette paroi est surmontée par des créneaux en forme de parallélépipède C _B , de hauteur h/2, avec h=H-α-β. Dans le dispositif complet, les sommets des créneaux de la partie inférieure (seule représentée) viennent en contact avec les sommets des créneaux de la partie supérieure. Il en résulte une fente discontinue constituée par une succession d'ouvertures rectangulaires O de hauteur h.

Dans le cas de la figure 6C, les créneaux ont une forme de prisme à base trapézoïdale. Il en résulte une fente discontinue constituée par une succession d'ouvertures O' ayant une forme en entonnoir qui favorise le passage unidirectionnel de particules du premier vers le deuxième conduit (ou inversement).

Quel que soit le mode de réalisation choisi, il est généralement nécessaire que la séparation des composantes de la suspension se poursuive sur une longueur suffisante. La longueur (axiale) de séparation doit être au minimum égale à L=(Iλ/ _t ) W _f où I est la dimension radiale de la fente, V _t la vitesse de transit des particules dans la fente et w _f la vitesse axiale moyenne de la suspension. De plus, le conduit doit présenter une longueur suffisante pour permettre l'établissement des écoulements secondaires souhaités ; pour cela il faut une longueur de l'ordre de D _h - R _e ^c I 16.

Concrètement, la longueur de séparation est au moins égale à 10 mm, et peut atteindre plusieurs mètres.

La figure 7A montre un premier mode de réalisation d'un dispositif de l'invention, présentant une forme en spirale. La suspension à séparer peut être introduite par un port d'entrée PE situé au centre du dispositif et les composantes séparées être récupérées à l'extrémité extérieure, via des ports de sortie PS1 , PS2, solution représentée sur la figure, ou inversement. L'avantage de cette solution est d'être particulièrement compacte, car la séparation se fait en continu sur toute la longueur des conduits. Cette longueur peut être très important, même dans un dispositif de dimensions relativement petites : un conduit d'un diamètre de 1 mm et d'une longueur de 20 m peut être enroulé en une spirale de seulement 20 cm de diamètre.

La figure 7B montre un mode de réalisation alternatif, dans lequel les conduits C1 et C2 sont bouclés sur eux-mêmes de manière à former une structure en anneau. Des ports P1 , P2 sont prévus dans les parois desdits conduits pour introduire la suspension et récupérer ses composantes séparées.

Les dispositifs des figures 7A et 7B ne comportent que deux conduits, mais il ne s'agit là nullement d'une limitation de l'invention.

D'une manière avantageuse, un dispositif selon l'invention peut être réalisé en forme planaire, de manière à constituer une puce microfluidique. La figure 8 montre une vue en section d'un dispositif du même type que celui des figures 1 et 2, dans lequel les conduits C1 , C2 et la fente F sont définis par gravure de deux substrats SUB1 , SUB2. Les substrats gravés sont ensuite disposés face à face et reliés entre eux à l'aide d'une couche de liaison CLI. Les substrats SUB1, SUB2 peuvent être, par exemple, en silicium ou en verre, et être gravés par des techniques photolithographiques classiques. Un dispositif selon l'invention peut également être constitué par une superposition de dispositifs élémentaires D1 , D2, D3, D4, D5 de type planaire, comme représenté sur la figure 9. La figure montre une vue en

élévation d'un tel dispositif, ainsi qu'une vue en plan du dispositif élémentaire D5. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure, chaque dispositif élémentaire présente deux conduits C1 , C2 formant un anneau ouvert, dans lesquels la suspension partiellement séparée entre, en provenance du dispositif élémentaire précédent, par deux ports d'entrée PE1 , PE2 et sort, en direction du dispositif élémentaire suivant, par deux ports de sortie PS1 , PS2. Le dispositif de l'invention doit disposer d'un moyen, externe ou interne, permettant de mettre en mouvement la suspension liquide dans au moins un desdits conduits. La mise en mouvement de la suspension S peut s'effectuer lors de son introduction au niveau de son extrémité d'entrée, à l'aide notamment d'une pompe à seringue SE, comme représenté sur la figure 1OA. En variante, la mise en mouvement de la suspension peut se faire après son introduction, à l'aide d'un dispositif intégré. On remarque que cette solution s'impose dans le cas d'un dispositif en anneau tel celui de la figure 7B.

Un tel dispositif intégré peut être constitué par une micropompe : voir à ce sujet l'article de Woias, « Micropumps - past, progress and future prospects », Sensors and Actuators B 105, 2005, pages 28-38.

Quel que soit le moyen d'actionnement utilisé, la vitesse moyenne w _c de la suspension S dans chaque conduit est de préférence telle que W _f / w _c oc (h/D _h ) ² où Dh est le diamètre hydraulique du conduit considéré. De préférence, cette vitesse doit être comprise entre 0,1 mm/s et 10 m/s. En tout cas, la vitesse w _c doit être suffisante pour que l'écoulement présente un nombre de Dean supérieur ou égal à 1 , et de préférence supérieur ou égal à 10, et en particulier compris entre 10 et 50. En effet, une fois fixées la géométrie des conduits et les propriétés physiques de la suspension, le

nombre de Dean D _e = dépend exclusivement de la vitesse w _c

Les figures 11 à 14 représentent des variantes de l'invention comportant des moyens auxiliaires destinés à favoriser la séparation de la suspension S.

Le dispositif de la figure 11 comporte un ensemble d'électrodes EL1 , EL2 adaptées pour engendrer un champ électrique dont les lignes de force LF1 partent de la paroi latérale du conduit émetteur C1 , convergent vers la fente F et s'étendent à l'intérieur de cette dernière jusqu'à qu'elle débouche dans le conduit récepteur C2. Avantageusement, le champ électrique préserve la symétrie des écoulements de Dean. Le champ électrique engendré par les électrodes EL1 , EL2 induit des forces diélectrophorétiques qui aspirent les particules du conduit émetteur au conduit récepteur, se combinant avantageusement avec la force centrifuge. Le dispositif de la figure 11 est adapté au cas de particules subissant un effet diélectrophorétique positif ; pour des particules subissant un effet diélectrophorétique négatif, les rôles des conduits C1 et C2 sont inversés.

Le dispositif de la figure 12 comporte un ensemble d'électrodes EL'1 — EL'8 adaptés pour engendrer dans chaque conduit C1 , C2 un champ électrique CEL orienté parallèlement au rayon de courbure desdits conduits et présentant une intensité maximale au niveau des parois supérieure et inférieure des conduits, et minimale dans le plan médian. Une telle configuration est adaptée pour favoriser, par effet électroosmotique, l'instauration de vortex secondaires lorsqu'une suspension s'écoule dans lesdits conduits. Les vortex de Dean peuvent également être « amplifiés » par des moyens hydrauliques, tels que des rainures R présentes sur les parois intérieures des conduits et s'étendant en biais par rapport à la direction axiale. Cette solution est représentée sur la figure 13.

La figure 14 montre une variante du dispositif de l'invention, dans laquelle l'ensemble D" constitué par les conduits C1 , C2 et la ou les cloisons CL les séparant est disposé sur un plateau tournant d'un actionneur rotatif AR. La mise en rotation rapide de l'ensemble D' autour d'un axe de rotation sensiblement perpendiculaire au rayon de courbure desdits conduits et cloison(s) engendre une force centrifuge qui se superpose à celle due à

l'écoulement de la suspension dans les conduits courbes, et qui contribue donc à la séparation. Il faut observer que si les conduits C1 , C2 présentent une forme en spirale, leur mise en rotation peut provoquer l'actionnement par effet inertiel du fluide qu'ils contiennent. Les différents moyens permettant de faciliter la séparation

(forme des conduits et de la cloison, ensembles d'électrodes, rainures, etc.) ont été présentés séparément les uns des autres, mais il faut comprendre que plusieurs d'entre eux peuvent être combinés avantageusement dans un même dispositif.