WO2009024678A2 - Dispositif et procede pour la separation des composantes d'une suspension et en particulier du sang - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device and a method for separating the components of a liquid suspension, in particular blood.
- liquid suspension is intended to mean a suspension comprising a liquid continuous phase and at least one dispersed phase which may be either liquid (droplets immiscible with the continuous phase) or solid (particles, such as blood cells), the overall mechanical properties of the suspension being essentially those of a liquid.
- the separation of the components of a suspension is most often by centrifugation, using mechanical centrifuges. The principle of centrifugation is that, when a sample of the suspension to be separated is rotated rapidly, the centrifugal force tends to entrain the densest component (for example, the blood cells dispersed in the plasma) towards the outside.
- separation devices particularly for blood, which can be miniaturized, and preferably integrated with a microfluidic device.
- the separation of the suspensions in microfluidic devices known from the prior art is likely to be hindered by the appearance of secondary flows which tend to stir the suspension that one would like to separate.
- secondary flows particular mention should be made of Dean vortices (or cells), which appear in the curved ducts under the effect of centrifugal force, viscous (or possibly turbulent) resistant forces and the engine pressure gradient.
- the Dean vortices are characterized by a secondary motion, superimposed on the axial main flow, which consists of two counter-rotating cells in the section plane of the main flow.
- the authors reached by simulation a maximum concentration of a factor 15 for particles of 20 ⁇ m in diameter having a density of 1.19 g / cm 3 in a dilute suspension in which the volume fraction of the dispersed phase relative to the continuous phase is in the range of 6-10 4 . But the efficiency of the separation decreases rapidly in increasing the concentration of the suspension and decreasing the size of the particles.
- the method implemented by these authors can not therefore be applied to the separation of blood cells, whose volume fraction is of the order of 0.45.
- An object of the invention is to overcome at least some of the disadvantages of the prior art and provide a device for separating the components of a liquid suspension, and in particular blood cells, which can be easily miniaturized.
- the device of the invention must have a simple structure and be able to be manufactured economically.
- Such an object can be achieved by a device for separating a liquid suspension consisting of a liquid continuous phase and at least one dispersed phase, said phases having different densities, said device comprising: a first conduit having at least one curved portion ; at least one second duct, also having a curved portion, extending parallel to said first duct on the outside of the curved portion thereof; and at least one partition separating said first and second conduits and having in turn a curved portion; characterized in that said partition has a continuous or discontinuous longitudinal slot, extending along the curved portion of the partition and putting in communication said first and second conduits so as to allow exchanges of material between them, said slot being located substantially at mid-height of said partition and having a height, measured perpendicular to the radius of curvature of the latter, substantially less than that of the partition.
- the device may further comprise at least a third conduit, also having a curved portion, extending parallel to said second conduit on the outer side of the curved portion thereof; and at least one second partition, separating said second and third conduits and having in turn a curved portion; said second partition having a second continuous or discontinuous longitudinal slot, extending along the curved portion thereof and placing said second and third conduits in communication, the dimensions of said second slot being smaller than that of the slot placing in communication said first and second conduits; said second slot being located substantially at mid-height of said second partition and having a height, measured perpendicularly to the radius of curvature of the latter, substantially lower than that of said partition.
- said dimensions of said or each slot may be sufficient to allow exchanges of said or at least one dispersed phase between the two conduits that it puts in communication.
- said or each slot may have a height h, measured perpendicularly to the radius of curvature of the partition, between 0.05 microns and 2 mm.
- the dimensions of said slot may be small enough to prevent the exchange of said or at least one dispersed phase between the two ducts.
- said slot may have a height h, measured perpendicularly to the radius of curvature of the partition, between 0.05 microns and 15 microns.
- Said or at least one of said slots may be a discontinuous slot constituted by a plurality of elementary openings aligned along the curved portion of said partition, said elementary openings having a funnel shape so as to promote the unidirectional passage of at least a phase dispersed between the conduits that it puts in communication.
- said or each slot may be a continuous slot.
- the curved portion of said or each partition wall may have a radius of curvature of between 50 microns and 20 cm, and preferably between 2 mm and 50 mm. Said or each slot may extend over a length L of between 10 mm and 20 m.
- Said ducts may have a maximum height H, H ', measured perpendicularly to the radius of curvature of the partition, between 20 ⁇ m and 10 mm and a width, measured parallel to the radius of curvature, between 0.05 and 10 times said height. .
- Said ducts may have a substantially rectangular section, or have convergent walls in the direction of said or one of said slots, or a substantially cylindrical section.
- Said conduits may have, at one of their ends, a common inlet section for the introduction of said suspension to be separated.
- only one of said ducts may have, at one of its ends, an inlet section for the introduction of said suspension to be separated, the other or the other ducts being closed at the end.
- the closed conduit (s) at the inlet end may also be closed at the opposite end, and / or have a discontinuous structure.
- Said ducts and partitions may be spirally wound, or may be curled on themselves so as to form a closed ring.
- the device may have a planar structure, or be constituted by a stack of elementary devices (having a planar structure).
- said planar device or each planar elementary device can be produced by etching from at least one planar substrate. More particularly, said device or each elementary device can be made by placing face to face two planar substrates etched to define said ducts and said slot or slots.
- the device of the invention may also comprise means for injecting said suspension to be separated in at least one of said ducts.
- the device of the invention may also comprise means for imparting to said suspension an axial flow velocity in at least one of said ducts.
- This means may be an injection pump of said suspension in said or each conduit or a micropump integrated in the device.
- said means may be adapted to impart to said suspension a flow rate of between 0.1 mm / s and 10 m / s, and preferably between 10 cm / s and 1 m / s.
- At least one of said conduits may also include a set of electrodes adapted to generate an electric field whose lines of force converge towards said slot or diverge from the latter.
- At least one of said ducts may have, on its inner wall, grooves extending obliquely with respect to an axial direction of said duct, said grooves being adapted to promote the establishment of secondary vortices when a liquid s' flows into said conduit.
- At least one of said conduits may also comprise an electrode assembly for generating an electric field configuration adapted to promote, by electroosmotic effect, the introduction of secondary vortices when a suspension flows in said conduit.
- the device may also comprise means for rotating the assembly constituted by said conduits and the closions or closions separating them, the axis of rotation being substantially perpendicular to the radius of curvature of said or each partition.
- Another subject of the invention is a process for separating a liquid suspension consisting of a liquid continuous phase and at least one dispersed phase, said phases having different densities, said process being characterized in that it comprises the steps comprising introducing said liquid suspension into a device according to one of previous claims; imparting to said suspension an axial flow velocity sufficient to allow the development of secondary flows; and extracting, in correspondence of an output section of at least one of said channels, a fraction of said enriched suspension in at least one of said phases.
- the device may have at least one slot of sufficient size to allow exchanges of the said or at least one dispersed phase of the suspension to be separated between the two conduits put in communication by said slot; and the rate of flow of the slurry to be separated in the device may be sufficient to allow the transfer of the denser phase of the conduit from the inner side of said slit to the outermost conduit under the combined effect. centrifugal force and secondary flows.
- the flow of the suspension to be separated can be characterized by a Dean number of between 1 and 100 and preferably between 10 and 50.
- Said device can be rotated about an axis substantially perpendicular to the radius of curvature of said or each partition.
- Said dispersed phase, or at least one of said dispersed phases, of the suspension to be separated may consist of solid particles having a density greater than that of said continuous liquid phase.
- said suspension to be separated can be blood.
- FIGS. 1 and 2 sectional views, respectively longitudinal and transverse, of a device of the invention comprising two parallel ducts;
- Figure 3A a cross-sectional view of this device, applied to the separation of blood cells;
- Figure 3B a cross-sectional view of a device of the invention comprising three parallel conduits, also applied to the separation of blood cells;
- Figures 4A and 4B longitudinal sectional views of devices of the invention in which the outer conduit is closed at both ends;
- FIGS. 5A to 5D cross-sectional views of devices of the invention comprising ducts of different shapes;
- FIGS. 1 and 2 sectional views, respectively longitudinal and transverse, of a device of the invention comprising two parallel ducts
- Figure 3A a cross-sectional view of this device, applied to the separation of blood cells
- Figure 3B a cross-sectional view of a device of the invention comprising three parallel conduits, also applied to the separation of blood cells
- Figures 4A and 4B longitudinal sectional views of devices of the
- FIG. 6A, 6B and 6C are detailed views of the device partition wall according to various embodiments of the invention;
- Figure 7A a longitudinal sectional view of a device of the invention having a planar structure and a spiral shape
- Figure 7B a longitudinal sectional view of a device of the invention having a planar structure and a ring shape
- - Figure 8 a sectional view of a device according to Figure 7A or 7B, highlighting its structure formed by the assembly of two planar substrates etched
- Figure 9 an elevational view of a device consisting of a superposition of planar type elementary devices;
- FIG. 1 a longitudinal sectional view of a device of the invention having a planar structure and a spiral shape
- Figure 7B a longitudinal sectional view of a device of the invention having a planar structure and a ring shape
- - Figure 8 a sectional view of a device according to Figure 7A or 7B, highlighting its structure formed by the assembly of two planar substrates etched
- FIG. 10 a means that can be used to impart a flow rate to a liquid in a device of the invention
- Figures 11, 12 and 13 cross-sectional views of devices having electrical or hydraulic means for separation assistance
- FIG. 14 a device according to a variant of the invention in which the assembly consisting of the ducts and the partition (s) separating them can be rotated.
- the development of secondary flows can be characterized by a numberless number called Dean number and defined by, Wc being the mean axial velocity of the flow, D h the hydraulic diameter of the duct, R c its radius of curvature and v the kinematic viscosity of the suspension.
- Wc being the mean axial velocity of the flow
- D h the hydraulic diameter of the duct
- R c its radius of curvature
- v the kinematic viscosity of the suspension.
- a Dean number of between 1 and 100, and preferably between 10 and 50, is adequate for the implementation of the invention.
- a device according to the invention is shown, in its simplest form, in FIGS. 1, 2 and 3A.
- Such a device consists essentially of two parallel conduits C1 and C2, each having a curved portion C'1, C'2 respectively.
- first conduit the conduit located on the inner side of the curvature
- second conduit the conduit located on the outer side.
- the conduits C1, C2 are separated by a partition CL 1 having in turn a curved portion CL '.
- a slot F extends along the curved portion CL 'of this partition, placing the two ducts C1, C2 in communication so as to allow exchanges of material between them.
- the term "slot” should be understood in a general manner: it may be a continuous slot, but also a discontinuous slot constituted by a plurality of elementary openings aligned along the partition.
- Figure 1 shows a longitudinal section of the device along the line 1-l of Figure 2;
- Figure 2 shows a cross section of the device along the line H-II of Figure 1.
- the two ducts C1 and C2 have a constant section of rectangular shape, whose height H, H 'can be between 20 microns and 10 mm and the width L, L "between 0.05 and 10 Once said height, the term "height" means the dimension measured perpendicular to the radius of curvature.
- the slot F of the continuous type, has a height h between
- the ratio h / H or h / H ' is generally between 2.5-10 "3 and 0.2
- the slot F is located approximately halfway up the partition CL; more generally, the ratio ⁇ / ⁇ is preferably between 0.1 and 0.9.
- the curved portion CL 'of the partition CL has a radius of curvature R 0 which is generally between 50 ⁇ m and 20 cm, and preferably between 2 and 50 mm.
- FIG 3A illustrates the principle of operation of the device of Figures 1 and 2, applied to blood fractionation.
- the blood is a suspension comprising a continuous liquid phase, the plasma PL, and a plurality of solid dispersed phases denser than said continuous phase, the cells; for the sake of simplicity, only two dispersed phases are considered, the "white blood cells” GB (which, in reality, are in their turn diversified) and the “red blood cells", GR, more numerous and of smaller dimensions.
- the cumulative volume fraction of the dispersed phases is about 0.45. It is important to note that the white and red RBCs, GR, (not shown in scale) have a diameter d less than the height h of the slit: they can therefore pass from a duct to the other via the latter.
- blood S is injected into the two ducts C1 and C2 at the input end EX1 of the device, and Dean vortices appear within its laminar flow.
- these vortices of Dean have the effect of bringing the blood cells GB, GR, closer to the slot F.
- the centrifugal force FC pushes the latter outwards, and therefore to the second duct C2 through the slot F.
- the centrifugal force and the vortex entrainment of Dean contribute to move the GB, GR cells away from the slot F and to prevent them diffusion towards the first conduit C1.
- a concentration of the cells in the second channel C2 is obtained at the outlet end EX2 of the device.
- the axial pressure gradient common to the two ducts C1 and C2 extends indeed inside the slot F of height h and width I.
- the average speed flow w f (axial velocity) which is manifest is a flow of Poiseuille whose local velocity decreases from the center to connect with that the axial flows in the adjacent ducts.
- a particle of diameter d is subjected to a centrifugal force to which a drag force opposes.
- the transit speed V t from one channel to another (perpendicular to the axial speed w f ), resulting from the equilibrium of these two forces and for a radially immobile carrier liquid, is
- V 5 remains negligible compared to V t , we see that one way is to reduce the Reynolds number R f e below unity.
- Another more advantageous means is that (d / h) 2 is as large as possible, which means that the height h of the slot F must vary between a fraction of d (the globules are deformable) and sometimes d; typically, h may range from 0.1d to 10d.
- the device of FIG. 3B differs from that of the figures
- the second slot F2 has a height h2 which is smaller than the height h of the slot F placing the first and second ducts in communication, and which is even smaller than the diameter of the white blood cells GB, but greater than that of the red RBCs.
- the combined effect of centrifugal force and Dean vortex entrainment induces GB, GR cell migration from the first to the second conduit. These same forces would tend to induce a migration of cells from the second to the third duct, but only the red blood cells can pass through the second slot F2.
- a device according to the invention can also be used for the partial separation of a suspension in which the particles constituting the dispersed phase are too large to be able to pass through the slot F.
- the suspension is injected into the internal pipe C1, and the centrifugal force pushes the continuous phase toward the outer conduit C2, while the slot F acts as a filter to retain said particles.
- the Dean cells essentially function to prevent the accumulation of particles at the slot, which could interfere with the continuous phase transfer from the internal conduit to the external conduit.
- the conduits have a constant section and the suspension to be separated is introduced into a common input section SX1.
- These characteristics are not essential, however.
- the ducts section is not constant.
- the conduit into which the suspension is injected may gradually shrink, while the conduits having a closed end, which are initially empty and gradually fill through the corresponding slots, may have an increasing section.
- the introduction of the suspension to be separated can be done at the input end EXV of a single conduit, while the other or the other conduits are closed. at both ends EX1 ", EX2" to form kinds of collection pockets for the separate phases.
- EX1 ", EX2" is particularly the case of the device of FIG. 4A, in which the blood S is introduced into the first duct C1, the cells GB, GR are concentrated in the second duct C2, closed at its ends and at the exit EX2 ' the first conduit is recovered essentially pure PL plasma.
- the second conduit C2 is discontinuous, being segmented by radial partitions CLR.
- a common point between the different embodiments is the use of a structure comprising a plurality of curved conduits communicating via slots.
- This structure prevents the secondary flows induce a general stirring of the suspension that would oppose the separation. Localized in each duct, the secondary flows can therefore have a beneficial role by cooperating with the centrifugal force to bring closer or move away, depending on the embodiment considered, the dispersed phase of the suspension slots connecting the ducts between them.
- Dean's cells perform three distinct functions:
- the cross section of the ducts of a device according to the invention does not necessarily have to be rectangular. Other shapes may be advantageous, especially for directing the particles towards the slot.
- the first duct has walls PC1, PC2 which converge towards the slot F.
- the unidirectional transfer of particles from the first to the second duct is favored by a funnel effect.
- Figures 6A, 6B and 6C show three possible embodiments of the CL partition.
- each of these figures represents the lower part of a partition of a device according to one embodiment of the invention.
- each part of the partition CL consists of a continuous wall, CL A of height ⁇ (for the lower part) or ⁇ (for the upper part).
- the peaks of the crenellations of the lower part come into contact with the tops of the crenellations of the upper part. This results in a discontinuous slot constituted by a succession of rectangular openings O of height h.
- the slots have a trapezoidal-shaped prism shape. This results in a discontinuous slot consisting of a succession of openings O 'having a funnel shape which promotes the unidirectional passage of particles from the first to the second duct (or vice versa).
- the conduit must be of sufficient length to allow the establishment of the desired secondary flows; for this it takes a length of the order of D h - R e c I 16.
- the separation length is at least 10 mm, and can reach several meters.
- Figure 7A shows a first embodiment of a device of the invention, having a spiral shape.
- the suspension to be separated can be introduced via an input port PE located in the center of the device and the separated components can be recovered at the outer end, via output ports PS1, PS2, solution shown in the figure, or vice versa.
- the advantage of this solution is to be particularly compact, because the separation is continuous over the entire length of the ducts. This length can be very important, even in a device of relatively small dimensions: a conduit with a diameter of 1 mm and a length of 20 m can be wound into a spiral of only 20 cm in diameter.
- Figure 7B shows an alternative embodiment, in which the conduits C1 and C2 are looped on themselves so as to form a ring structure. Ports P1, P2 are provided in the walls of said conduits to introduce the suspension and recover its separate components.
- a device according to the invention can be made in planar form, so as to form a microfluidic chip.
- FIG. 8 shows a sectional view of a device of the same type as that of FIGS. 1 and 2, in which the ducts C1, C2 and the slot F are defined by etching of two substrates SUB1, SUB2. The etched substrates are then placed face to face and interconnected using a CLI bonding layer.
- the substrates SUB1, SUB2 may be, for example, silicon or glass, and be etched by conventional photolithographic techniques.
- a device according to the invention may also consist of a superposition of planar-type elementary devices D1, D2, D3, D4, D5, as shown in FIG. 9.
- each elementary device has two ducts C1, C2 forming an open ring, in which the partially separated suspension enters, from the previous elementary device, by two input ports PE1, PE2 and out in the direction of the next elementary device, by two output ports PS1, PS2.
- the device of the invention must have a means, external or internal, for moving the liquid suspension in at least one of said conduits.
- the movement of the suspension S can be carried out during its introduction at its inlet end, in particular using a syringe pump SE, as shown in FIG. 10A.
- the movement of the suspension can be done after its introduction, using an integrated device. Note that this solution is required in the case of a ring device such as that of Figure 7B.
- Such an integrated device can be constituted by a micropump: see in this regard the Woias article, "Micropumps - Past, Progress and Future Prospects", Sensors and Actuators B 105, 2005, pages 28-38.
- the average velocity w c of the suspension S in each duct is preferably such that W f / w c oc (h / D h ) 2 where Dh is the hydraulic diameter of the duct considered.
- this speed must be between 0.1 mm / s and 10 m / s.
- the speed w c must be sufficient for the flow to have a Dean number greater than or equal to 1, and preferably greater than or equal to 10, and in particular between 10 and 50.
- the device of FIG. 11 comprises a set of electrodes EL1, EL2 adapted to generate an electric field whose lines of force LF1 start from the side wall of the emitter duct C1, converge towards the slot F and extend inside. from the latter until it opens into the receiver channel C2.
- the electric field preserves the symmetry of Dean flows.
- the electric field generated by the electrodes EL1, EL2 induces dielectrophoretic forces that suck the particles of the emitter duct to the receiver duct, advantageously combining with the centrifugal force.
- the device of FIG. 11 is adapted to the case of particles undergoing a positive dielectrophoretic effect; for particles undergoing a negative dielectrophoretic effect, the roles of the conduits C1 and C2 are reversed.
- the device of FIG. 12 comprises a set of electrodes EL'1-EL'8 adapted to generate in each duct C1, C2 an electric field CEL oriented parallel to the radius of curvature of said ducts and having a maximum intensity at the level of the upper walls. and lower ducts, and minimal in the median plane.
- Such a configuration is adapted to promote, by electroosmotic effect, the introduction of secondary vortices when a suspension flows in said ducts.
- the Dean vortices may also be "amplified" by hydraulic means, such as R-grooves present on the inner walls of the conduits and extending obliquely to the axial direction. This solution is represented in FIG. 13.
- FIG. 14 shows a variant of the device of the invention, in which the assembly D "consisting of the ducts C1, C2 and the partition (s) CL separating them is disposed on a turntable of a rotary actuator AR.
- a rotary actuator AR in rapid rotation of the assembly D 'about an axis of rotation substantially perpendicular to the radius of curvature of said ducts and partition (s) generates a centrifugal force which is superimposed on that due to the flow of the suspension in the curved ducts, and which therefore contributes to the separation.
- the conduits C1, C2 have a spiral shape, their rotation can cause actuation by inertial effect of the fluid they contain.
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Abstract
Dispositif pour la séparation d'une suspension liquide (S) constituée par une phase continue liquide (PL) et au moins une phase dispersée (GB, GR), lesdites phases ayant des densités différentes, ledit dispositif comportant : un premier conduit (C1) présentant au moins une portion courbe; au moins un deuxième conduit (C2), 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 (CL), séparant lesdits premier et deuxième conduits et présentant à son tour une portion courbe; dans lequel ladite cloison présente une fente longitudinale (F) 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 (F) étant située sensiblement à mi-hauteur de ladite cloison (CL). Procédé pour la séparation d'une suspension liquide (S) à l'aide d'un tel dispositif.
Description
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 10e « 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/s2), 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/cm3 dans une suspension diluée dans laquelle la fraction volumique de la phase dispersée par rapport à la phase continue est de l'ordre de 6-104.
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, Dh le diamètre hydraulique du conduit, Rc 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 CL1 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 R0 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 wf (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 Vt d'un canal à un autre (perpendiculaire à la vitesse axiale wf), résultant de l'équilibre de ces deux forces et pour un liquide porteur immobile radialement, est
Vt oc (d/h)2 (Rk)2 [(ρg/pc)-l](v/Rc) où Rf 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, pc sa densité et pg 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 pc. 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 pc est supérieur à P3.
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 Vs est donnée par Vs oc (R^)3 (v/Rc) sont des perturbations. Afin que
V5 reste négligeable par rapport Vt, on voit qu'un moyen est de réduire le nombre de Reynolds Rf 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 6B1 chaque partie de la cloison CL est constitué d'une paroi continue, CLA d'hauteur β (pour la partie inférieure) ou α (pour la partie supérieure). Cette paroi est surmontée par des créneaux en forme de parallélépipède CB, 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) Wf où I est la dimension radiale de la fente, Vt la vitesse de transit des particules dans la fente et wf 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 Dh - Re 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 wc de la suspension S dans chaque conduit est de préférence telle que Wf / wc oc (h/Dh)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 wc 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 De = dépend exclusivement de la vitesse wc
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.
Claims
1. Dispositif pour la séparation d'une suspension liquide (S) constituée par une phase continue liquide (PL) et au moins une phase dispersée (GB, GR), lesdites phases ayant des densités différentes, ledit dispositif comportant : un premier conduit (C1) présentant au moins une portion courbe (CV) ; au moins un deuxième conduit (C2), présentant également une portion courbe (C21), s'étendant parallèlement audit premier conduit du côté extérieur de la portion courbe de ce dernier ; et au moins une cloison (CL), séparant lesdits premier et deuxième conduits et présentant à son tour une portion courbe (CL') ; caractérisé en ce que ladite cloison présente une fente longitudinale (F) 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 (F) étant située sensiblement à mi-hauteur de ladite cloison (CL) et présentant une hauteur, mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de cette dernière, sensiblement inférieure à celle de la cloison.
2. Dispositif selon la revendication 1 comportant en outre au moins un troisième conduit (C3), 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 (CL2), séparant lesdits deuxième et troisième conduits et présentant à son tour une portion courbe ; dans lequel ladite deuxième cloison présente une deuxième fente (F2) 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 (F) mettant en communication lesdits premier et deuxième conduits ; ladite deuxième fente (F2) étant située sensiblement à mi-hauteur de ladite deuxième cloison (CL2) et présentant une hauteur, mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de cette dernière, sensiblement inférieure à celle de ladite cloison.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dimensions de ladite ou chaque fente sont suffisantes pour permettre des échanges de ladite ou d'au moins une phase dispersée (GB, GR) entre les deux conduits qu'elle met en communication.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite ou chaque fente (F) présente une hauteur (h, h2), mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de la cloison, comprise entre 0,05 μm et 2 mm.
5. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel les dimensions de ladite fente sont suffisamment petites pour empêcher l'échange de ladite ou d'au moins une phase dispersée (GB) entre les deux conduits.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel ladite fente présente une hauteur (h2), mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de la cloison, comprise entre 0,05 μm et 15 μm.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite ou au moins une desdites fentes (F) est une fente discontinue constituée par une pluralité d'ouvertures élémentaires (O1) 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.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel ladite ou chaque fente (F) est une fente continue.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la portion courbe de ladite ou chaque cloison de séparation (CL, CL2) présente un rayon de courbure compris entre 50 μm et 20 cm, et de préférence entre 2 mm et 50 mm.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite ou chaque fente (F, F2) s'étend sur une longueur comprise entre 10 mm et 20 m.
11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits conduits présentent une hauteur maximale (H1 H'), mesurée perpendiculairement au rayon de courbure de la cloison, comprise entre 20 μm et 10 mm et une largeur (L, L'), mesurée parallèlement au rayon de courbure, comprise entre 0,05 et 10 fois ladite hauteur.
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits conduits présentent une section sensiblement rectangulaire.
13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11 , dans lequel au moins l'un desdits conduits présente des parois convergentes (PC1 , PC2) en direction de ladite ou de l'une desdites fentes.
14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel au moins l'un desdits conduits présente une section sensiblement cylindrique.
15. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits conduits présentent, à l'une de leurs extrémités, une section d'entrée commune (EX1) pour l'introduction de ladite suspension à séparer.
16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel l'un seul desdits conduits présente, à l'une de ses extrémités (EX1'), 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 (EX1 ").
17. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel le ou les conduits fermés au niveau de l'extrémité d'entrée sont également fermés au niveau de l'extrémité opposée (EX2").
18. Dispositif selon la revendication 17, dans lequel le ou les conduits fermés au niveau de leurs extrémités présentent une structure discontinue.
19. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits conduits (C1 , C2) et cloison ou cloisons (CL) sont enroulés en forme de spirale.
20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, dans lequel lesdits conduits (C1 , C2) et cloison ou cloisons (CL) sont bouclés sur eux-mêmes de manière à former un anneau fermé.
21. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, ayant une structure planaire.
22. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20, constitué par un empilement de dispositifs élémentaires (D1 , D2, D3) ayant une structure planaire.
23. Dispositif selon l'une des revendications 21 ou 22, ledit dispositif ou chaque dispositif élémentaire (D1 , D2, D3) étant réalisé par gravure à partir d'au moins un substrat planaire (SUB1 , SUB2).
24. Dispositif selon la revendication 22, ledit dispositif ou chaque dispositif élémentaire étant réalisé en disposant face à face deux substrats planaires (SUB1 , SUB2) gravés de manière à définir lesdits conduits (C1 , C2) et ladite ou lesdites fentes (F).
25. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant également un moyen (SY) pour injecter ladite suspension à séparer dans au moins un desdits conduits (C1 , C2).
26. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant également un moyen (SY, P) pour impartir à ladite suspension une vitesse axiale d'écoulement dans au moins un desdits conduits
27. Dispositif selon la revendication 26, dans lequel ledit moyen (SY, P) pour impartir à ladite suspension une vitesse d'écoulement dans au moins un desdits conduits est une pompe d'injection de ladite suspension dans ledit ou chaque conduit.
28. Dispositif selon la revendication 26, dans lequel ledit moyen (SY, P) pour impartir à ladite suspension une vitesse d'écoulement dans au moins un desdits conduits est une micropompe intégrée au dispositif.
29. Dispositif selon l'une des revendications 26 à 28, dans lequel ledit moyen (SY, P) est 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 1m/s.
30. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins l'un desdits conduits comporte 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.
31. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins l'un desdits conduits présente, 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.
32. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel au moins l'un desdits conduits comporte 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.
33. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comportant également un moyen pour mettre en rotation l'ensemble constitué par lesdits conduits et la ou les cloisons les séparant, l'axe de rotation étant sensiblement perpendiculaire au rayon de courbure de ladite ou de chaque cloison.
34. Procédé pour la séparation d'une suspension liquide (S) constituée par une phase continue liquide (PL) et au moins une phase dispersée (GB, GR), 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 (EX2, EX2') d'au moins un desdits canaux, une fraction de ladite suspension enrichie en au moins une desdites phases.
35. Procédé selon la revendication 34, dans lequel : - le dispositif présente au moins une fente (F) de dimensions suffisantes pour permettre des échanges de ladite ou d'au moins une phase dispersée (GB, GR) 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 est suffisante pour permettre le transfert de la phase la plus dense du conduit situé du côté intérieur (C1) de ladite fente vers le conduit situé du côté l'extérieur (C2) sous l'effet combiné de la force centrifuge (FC) et des écoulements secondaires (VD).
36. Procédé selon l'une des revendications 34 ou 35, dans lequel l'écoulement de la suspension à séparer (S) est caractérisé par un nombre de Dean compris entre 1 et 100 et de préférence entre 10 et 50.
37. Procédé selon l'une des revendications 34 à 36, dans lequel ledit dispositif est mis en rotation autour d'un axe sensiblement perpendiculaire au rayon de courbure de ladite ou de chaque cloison.
38. Procédé selon l'une des revendications 34 à 39, dans lequel ladite phase dispersée (GB, GR), ou au moins une desdites phases dispersées, de la suspension à séparer est constituée par des particules solides présentant une densité supérieure à celle de ladite phase continue liquide (PL).
39. Procédé selon la revendication 38, dans lequel ladite suspension à séparer est du sang (S).
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 08827692 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A2 |