L'invention concerne un système pour manipuler par diélectrophorèse des particules diélectriques, en particulier des cellules biologiques.

D'une manière générale, la diélectrophorèse découverte en 1951 par POHL désigne la force exercée par un champ électrique alternatif non uniforme sur une particule polarisable, mais non nécessairement pourvue d'une charge électrique.

L'une des applications importantes de la diélectrophorèse concerne la séparation de particules en suspension dans un milieu. Si une particule est davantage polarisable que son milieu de suspension, la force de diélectrophorèse sera positive et la particule sera dirigée vers une région où le champ électrique local est maximum et, dans le cas contraire, la particule sera dirigée vers une région où le champ électrique local est minimum. D'une manière générale, la distribution du champ électrique dépend de la géométrie des électrodes, et la force de diélectrophorèse varie avec la fréquence en fonction des propriétés diélectriques du milieu et des particules.

Un but de l'invention est de concevoir un système à haute densité ou à fort degré d'intégration pour pouvoir manipuler un grand nombre de particules, ce qui implique une conception particulière pour la disposition des électrodes et leur alimentation.

A cet effet, l'invention propose un système pour manipuler par diélectrophorèse de particules diélectriques, en particulier des cellules biologiques, qui sont en suspension dans un milieu et soumises à l'action d'un champ électrique alternatif dont la répartition est rendue non uniforme au moyen d'un réseau régulier d'électrodes apte à définir ces zones locales où le champ électrique est minimum pour concentrer des particules dans ces zones locales par suite de l'action de forces de diélectrophorèse négatives, système qui est caractérisé en ce que le réseau d'électrodes est formé à la surface

d'un support multi-couche, et en ce que les électrodes de mme polarité du réseau sont reliées à un plot d'alimentation commun au travers de deux réseaux de pistes conductrices qui sont formées à un niveau intermédiaire situé en dessous du réseau d'électrodes.

Selon un mode de réalisation, le support multi-couche comprend au moins un support de base, une couche conductrice déposée sur le support de base pour former les deux réseaux de pistes conductrices, et une couche isolante déposée sur la couche conductrice pour former le réseau d'électrodes, le réseau d'électrodes étant connecté aux réseaux de pistes conductrices au travers de trous traversant la couche isolante.

Selon un mode de réalisation, les électrodes sont régulièrement espacées suivant plusieurs lignes parallèles à un axe X, les électrodes d'une ligne ont la mme polarité, les électrodes de deux lignes adjacentes ont des polarités opposées, et les zones locales de concentration de particules sont régulièrement espacées suivant plusieurs lignes parallèles à l'axe X.

D'une manière générale, le système comprend également une chambre formée au-dessus du support pour recevoir des particules en suspension, cette chambre étant délimitée par exemple par un joint d'étanchéité qui entoure au moins le réseau d'électrodes et par une plaque rapportée sur le joint, ainsi qu'une source de tension alternative pour alimenter les deux plots de connexion aux électrodes.

A titre d'exemple, le support multi-couche peut supporter un réseau d'électrodes apte à définir un nombre de zones locales de l'ordre de 1000 à 50 000 pour un support ayant un centimètre de côté.

D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront de la description explicative qui va suivre en référence à des dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de dessus d'un exemple de réseau d'électrodes formé à la surface d'une couche isolante supérieure d'un support multicouche et qui peut tre utilisé pour manipuler par diélectrophorèse des particules diélectriques,

-la figure 2 est une vue de dessus de deux réseaux de pistes conductrices qui alimentent le réseau d'électrodes de la figure 1, -la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne 111-111 de la figure 1 pour illustrer la position des réseaux de pistes conductrices de la figure 2 par rapport au réseau d'électrodes de la figure 1, - les figures 4 et 5 illustrent de façon schématique deux autres formes de réalisation possibles pour le réseau d'électrodes de la figure 1, -les figures 6a et 6b illustrent deux autres formes d'électrodes, et - la figure 7 est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un système pour manipuler par diélectrophorèse des particules diélectriques en suspension dans un milieu en contact avec le réseau d'électrodes des figures 1,4 ou 5.

Selon l'exemple illustré aux figures 1 à 3, un réseau régulier R d'électrodes Ei et E2 est formé à la surface de la couche supérieure isolante 1 d'un support multicouche 1, et connecté à deux plots d'alimentation Pi et P2 par deux réseaux RI et R2 de pistes conductrices Cl et C2. Le réseau R d'électrodes Ei et E2 est conçu pour répartir de manière non uniforme un champ électrique alternatif appliqué à partir des deux plots d'alimentation Pi et P2, et pour délimiter à la surface de la couche isolante 1 des zones locales L régulièrement espacées où le champ électrique sera minimum.

D'une manière générale, une zone locale L est délimitée par un groupement élémentaire d'au moins deux paires d'électrodes, ce qui correspond à l'exemple illustré sur la figure 1. Les électrodes Ei et E2 sont régulièrement espacées suivant plusieurs lignes parallèles à un axe X, sachant que les électrodes d'une ligne ont la mme polarité, et que les électrodes de deux lignes adjacentes ont des polarités opposées. Autrement dit, des lignes d'électrodes E2 sont intercalées entre des lignes d'électrodes Ei, ou inversement.

Chaque zone locale L à champ électrique minimum est ainsi délimitée entre deux électrodes adjacentes Ei ou E2 d'une mme ligne, et

deux électrodes E2 ou Ei en vis-à-vis et respectivement situées sur les deux lignes adjacentes à ladite ligne. Dans cet exemple, une mme électrode Ei ou E2 peut tre ainsi utilisée pour définir quatre zones locales L, et les électrodes de deux lignes adjacentes sont disposées en quinconce.

Les figures 2 et 3 illustrent la connexion des électrodes Ei et E2 aux deux plots d'alimentation Pi et P2. Cette connexion est assurée par les deux réseaux Ri et R2 de pistes conductrices Cl et C2 parallèles et qui s'étendent également suivant l'axe X. Ces deux réseaux Ri et R2 sont respectivement reliés aux deux plots d'alimentation Pl et P2 qui bordent le réseau R d'électrodes Ei et E2 en s'étendant suivant un axe Y perpendiculaire à l'axe X., Chaque plot d'alimentation P1 et P2 forme un peigne avec son réseau associé Ri ou R2 de pistes conductrices, et les deux peignes sont imbriqués l'un dans l'autre (figure 2). Les deux réseaux Ri et R2 sont logés dans la couche isolante 1, c'est-à-dire que la connexion des électrodes Ei et E2 s'effectue à un niveau différent de celui où elles sont situées (figure 3), de manière à ce que le principe de connexion des électrodes reste indépendant du nombre des électrodes adopté.

Un exemple de fabrication du réseau R d'électrodes et des réseaux RI et R2 de connexion aux plots d'alimentation Pi et P2, est illustré sur la figure 3 en partant d'un support de base 2 constitué d'une tranche de silicium monocristallin faiblement dopé pour réaliser les réseaux R, Ri et R2.

Dans une première étape, on forme par oxydation une couche d'oxyde de silicium 3 qui recouvre la surface du substrat 1 sur une épaisseur de l'ordre de 500nm pour éviter le passage des lignes de champ électrique via le substrat 1. Dans une deuxième étape, on recouvre la couche 3 par une couche conductrice 5 en aluminium par exemple qui est déposée par évaporation sur une épaisseur de l'ordre de 300nm, et on forme les réseaux Ri et R2 de pistes conductrices Ci et C2, ainsi que les plots d'alimentation Pl et P2, par photolithographie et gravure humide de l'aluminium. Dans une troisième étape, la couche isolante I en oxyde de silicium déposée suivant la technique APCVD ("Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition"en langue anglaise) ou une autre technique par

pulvérisation ( « sputtering » en langue anglaise) par exemple, vient recouvrir l'ensemble et, au moyen d'un masque et par photolithographie et une gravure plasma de la couche d'oxyde au SF6, on réalise de petites ouvertures 9 régulièrement espacées le long des pistes conductrices Ci et C2 ainsi que deux grandes ouvertures 11 au niveau des plots d'alimentation Pi et P2. Dans une quatrième étape, on évapore sur l'ensemble une nouvelle couche conductrice 13 en aluminium sur une épaisseur supérieure de l'ordre de 100nm à celle de la couche inférieure I et qui vient combler les ouvertures 9 et 11 pour assurer la connexion avec les réseaux Ri et R2 de pistes conductrices Cl et C2. Enfin, dans une cinquième étape par photolithographie et gravure de l'aluminium, on dessine la forme du réseau R d'électrodes Ei et E2.

En variante de ce mode de réalisation, le support de base 2 peut tre une lame de verre et, on peut envisager de réaliser le réseau R d'électrodes ainsi que les réseaux Ri et R2 en un autre matériau que l'aluminium, l'or ou le chrome par exemple, en adaptant la technique de fabrication au métal choisi. En effet, selon l'invention, il est important que le réseau R d'électrodes Ei et E2 et sa connexion aux plots d'alimentation Pi et P2 par les deux réseaux Ri et R2, soient situés à des niveaux différents, c'est-à-dire que le support 1 est de type multi-couche.

Cette caractéristique donne la possibilité de fabriquer un dispositif à haut degré d'intégration. A titre d'exemple non limitatif, on peut fabriquer un dispositif de 1 cm de côté avec de 1 000 à 50 000 zones locales L. Si les figures 1 à 3 n'illustrent qu'un nombre réduit d'électrodes Ei, E2 et de zones locales L, ce n'est uniquement que pour des raisons de clarté des dessins.

Sur les figures 4 et 5, on a schématiquement illustré deux autres formes possibles pour le réseau R d'électrodes Ei et E2, sachant que les électrodes Ei et E2 sont reliées aux plots d'alimentation Pi et P2 par deux réseaux Ri et R2 de pistes conductrices Cl et C2 d'une manière similaire à l'exemple illustré sur la figure 2. Chaque zone locale L est délimitée par trois paires d'électrodes Ei et E2 selon la figure 4, et par quatre paires d'électrodes

Ei et E2 selon la figure 5. II ressort de ces exemples, qu'une zone locale L est définie à partir d'au moins deux paires d'électrodes E1 et E2, sachant que le nombre de paires d'électrodes peut tre pair ou impair.

Selon l'exemple de la figure 1, les électrodes E1 et E2 ont globalement une forme ovoïde ou en pétale de fleur, et quatre électrodes qui délimitent une zone locale L forment globalement une trèfle à quatre feuilles, et une forme ronde dans l'exemple des figures 4 et 5, sachant que l'on peut envisager d'autres formes, comme par exemple une forme carrée (figure 6a) ou une forme sensiblement carrée (figure 6b), symétrique avec au moins quatre coins (figure 6b), chaque coin d'une électrode pointant vers le centre d'une zone locale L.

Un mode de réalisation d'un système pour manipuler des particules diélectriques est schématiquement illustré sur la figure 5. Le système comprend un substrat 1 tel que défini précédemment et avec son réseau R d'électrodes Ei et E2, un joint d'étanchéité 20 en silicone qui entoure le réseau R et une plaque de verre 22 rapportée sur le joint 20 pour délimiter une chambre 25 destinée à recevoir des cellules biologiques par exemple en suspension dans un milieu et introduites dans la chambre 25 au moyen d'une pipette par exemple. Les deux plots Pi et P2 sont connectés à une source 30 de tension alternative. Bien entendu, la chambre 25 pourrait tre réalisée différemment.

D'une manière générale, ce système est plus particulièrement conçu pour appliquer aux cellules en suspension dans la chambre 25 des forces de diélectrophorèse négatives.

A cet effet, on joue sur la fréquence du champ électrique et on choisit une conductivité électrique appropriée pour faire en sorte que le milieu soit plus polarisable que les particules à manipuler, et pouvoir ainsi diriger les particules vers la partie centrale des zones locales L par suite de l'action de forces de diélectrophorèse négatives pour les concentrer suivant un réseau matriciel.

En jouant sur les paramètres du champ électrique, on peut avantageusement diriger les particules au point central des zones locales L

de manière à favoriser des concentrations de particules régulièrement réparties à la surface de la couche isolants 1 du support 1.

Pour matérialiser ce résultat, on a illustré sur la figure 1 des concentrations de particules c qui sont présentes dans la partie centrale des zones locales L et régulièrement réparties à la surface du substrat 1.

A titre d'exemple, on alimente les deux p) ots Pi et P2 avec une tension alternative sinusoïdale d'environ 5 à 10 volts crète-à-crète, et on fait varier la fréquence dans une gamme de l'ordre de 10kHz à 10MHz. Selon un exemple particulier, pour un milieu de conductivité 300, uS. cm~, une fréquence de 100kHz environ et une tension sinusoïdale d'environ 5 volts crète-à-crète, on parvient à regrouper des billes en latex d'un diamètre de 3um, sachant que les paramètres du champ électrique et la conductivité du milieu doivent tre ajustés en fonction de la particule à manipuler.

Une fois que les cellules ont été réparties à la surface du substrat, il est possible de procéder à leur électroporation ou à leur lyse selon les applications envisagées. D'une manière générale, le système selon l'invention peut tre utilisé pour effectuer un criblage à haut débit de produits pharmacologiques, un transfert de gènes dans des cellules,..., et pour séparer deux espèces de cellules en solution, une espèce étant orientée vers le centre des zones locales délimitées entre les électrodes, alors que l'autre espèce sera orientée vers les électrodes.