PARTENAIRES : (Laboratoires et principales personnes concernées)

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1 INTEGRATION OPTIQUE DANS LES LAB-ON-A-CHIP POUR LE DIAGNOSTIC MEDICAL S.K. Krawczyk et R.C. Blanchet LEOM UMR CNRS/ECL n 5512 Ecole Centrale de Lyon

2 PARTENAIRES : (Laboratoires et principales personnes concernées) LEOM -Laboratoire d Electronique Optoélectronique et Microsystèmes UMR CNRS / Ecole Centrale de Lyon n 5512 S.K. Krawczyk, R.C. Blanchet, IFOS - Ingéniérie et Fonctionnalisation des Surfaces URA CNRS / Ecole Centrale de Lyon n 5621 J.-R. Martin, M. Cabrera LMFA - Laboratoire de Mécanique des Fluides et Acoustique URA CNRS / Ecole Centrale de Lyon / UCB Lyon 1 n 5509 M. Lance, F. Raynal, F. Plaza IBCP - Institut de Biologie et Chimie des Protéines UMR CNRS / UCB Lyon 1 n 5086 A.W. Coleman SROMB - Laboratoire de Synthèse, Reconnaissance, Organisation Moléculaire et Biomoléculaire UMR CNRS / UCB Lyon Mme H. Parrot-Lopez

3 Le concept de Lab-on-a-Chip a émergé dans les années 1990 Intégration sur un petit substrat de véritables systèmes d'analyses chimiques très performants

4 Avantages de la microfluidique et de la microchimie : - petite quantité de substances biologiques - temps de mixage et souvent temps de réaction plus brefs - temps de séparation des molécules beaucoup plus courts - contrôle précis des conditions d'expérimentation - grandes possibilités d'automatisation - autonomie moins d instruments extérieurs - portabilité en dehors des labos d analyses biochimiques - prix moins élevé (facteur )

5 Lab-on-a-Chip, pourquoi? Dans le domaine de la recherche bio-médicale : une grande quantité d informations à extraire progrès conditionné par le débit des analyses réalisées et par leur coût un petit laboratoire qui utilise des Lab-on-a-Chip = = un très grand laboratoire Dans le domaine du diagnostic médical : systèmes d'analyse suffisamment simples et automatisés pour qu'ils puissent être utilisés dans des cabinets médicaux ou chez les patients (point of care application)

6 Les Lab-on-a-Chip peuvent être réalisés sur substrats : verre plastique silicium Exemple d un système d électrophorèse en verre (University of Louisville, KY 40292, USA) Les dimensions des canaux micro-fluidiques sont de l ordre de µm de largeur, 2-10 µm de profondeur et de mm de longueur (typiquement).

7 Lab-on-a-Chip example : Credit-cardsized 7-layer Mylar laminate. This microfluidic system from Micronics is a miniature flow cytometer that counts blood cells and measures Hb concentration. It includes anti-sedimentation coils, valves, mixers, a sheath flow cell alignment device, and waste storage, and is ~1 mm thick. They are produced by a simple CO 2 laser cutting system (cost ~$25K). Time from CAD file to finished devices < 4 hrs.

8 Les Lab-on-a-Chip réalisés sur substrat silicium font appel aux techniques de la microélectronique, telles que photo-lithographie et gravure. Technologies : - bien maîtrisées - très précises - production de masse - peu chères

9 Premier système commercial complet : Agilent 2100 Bioanalyzer Agilent Technologies, Waldbronn, Germany Caliper Technologies, Mountain View, CA

10 Rôle de la lumière dans les Lab-on-a-Chip Lecture des résultats de séparation des molécules par électrophorèse ou chromatographie habituellement par voie optique. Vérification de l'efficacité des réactions biochimiques (dénaturation d ADN, PCR ). Beaucoup d autres possibilités potentielles. Quelle gamme spectrale? Utilisation des marqueurs fluorophores - excitation et émission généralement dans proche UV ou visible. Fluorescence et absorption propres des molécules biologiques généralement dans le domaine de l'uv.

11 Comment la fluorescence est-elle excitée et détectée actuellement dans les Lab-on-a-Chip? Typiquement par : un laser situé à l'extérieur de la puce. un système extérieur de focalisation sur la partie terminale de la colonne de séparation. un système extérieur de collection et de détection de la fluorescence. Problèmes : nécessité d un microscope, voire même d un spectromètre. application limitée aux Lab-on-a-Chips très simples - e.g. comportant une seule colonne (alignement, espace limité ). impossible in vivo. beaucoup d autres techniques de mesure impossibles.

12 Avantages de l intégration optique : Plus grande autonomie grâce à la possibilité d'éliminer ou de simplifier les instruments extérieurs (microscope, spectromètre...). Possibilité d applications in vivo. Possibilité d analyses plus performantes grâce à l intégration accrue ; la distribution de la lumière dans la puce permettrait, par exemple : (i) l'intégration de plusieurs colonnes de séparation (ii) le contrôle du déroulement de diverses réactions (photo)chimiques ou (iii) leur excitation. Développement de nouvelles méthodes d analyse associées à la possibilité d intégrer les éléments optiques à proximité des parties microfluidiques (ondes évanescentes ).

13 Très peu de laboratoires, au niveau international, travaillant sur l intégration des composants optiques. Exemple d Intégration de photodiodes dans un système d électrophorèse capillaire réalisé sur substrat silicium. (Université de Michigan) Pas d intégration d autres composants optiques.

14 Nos buts à Lyon : Démonstration de faisabilité de l'intégration des guides optiques avec des canaux microfluidiques dans des Lab-on-a-Chip élémentaires (électrophorèse d ADN). Conception d un véritable réseau de distribution de la lumière dans les Lab-on-a-Chip pour disposer de la lumière désirée n'importe où et à tout moment. A plus long terme, les guides optiques dans les Lab-on-a-Chip seront constitués de GaN et de ses composés ; il deviendra alors possible de moduler en amplitude, de commuter et même de contrôler en longueur d'onde la lumière visible ou UV nécessaire. Démonstration de faisabilité de Lab-on-a-Chip nouveaux et performants pour le diagnostic médical.

15 Notre approche technologique à Lyon : - Si - salle blanche du LEOM-Ecole Ecole Centrale de Lyon Approches technologiques en collaboration : - Verre - avec une entreprise de Grenoble - PMMA - avec le LPN-CNRS de Marcoussis

16 Lab-on-a-Chip fabriqués au LEOM sur substrats Si en utilisant les techniques de la microélectronique, telles que la photolithographie, la gravure sèche ou liquide et le dépôt PECVD

17 Intégration simple d un circuit microfluidique avec un guide optique couche de SiO2 thermique Canaux microfluidiques gravés guide optique SiO2/SiON/SiO2 Substrat Si

18 Etapes successives de réalisation d un guide optique

19 Intégration simple d un circuit microfluidique avec un guide optique

20 Projet dans la phase de démarrage : Création d un analyseur Lab-on-a-Chip pour la détermination de la concentration des principales protéines qui régissent la coagulation sanguine : - antithrombine (ATIII) - héparine Co-Facteur II (HCII) Principe : séparation des protéines par électrochromatographie dans un système microfluidique multi-canal mesure de fluorescence, grâce à un système optique intégré à la puce.

21 Schéma de principe nano-filtres entrée du liquide biologique colonne de séparation excitation de fluorescence entrée/sortie optique collection et retour de la fluorescence par le même guide lumière divisée pour alimenter deux colonnes

22 Conclusions : Les Lab-on-a-Chip apparaissent très prometteurs pour de nombreuses applications pour la recherche et le diagnostic médicaux. L'intégration optique dans le Lab-on-a-Chip est encore très peu explorée. L'intégration optique permet d'augmenter les performances, les fonctionnalités et l'autonomie des Lab-on-a-Chip. Cinq laboratoires UMR de Lyon (CNRS/Ecole Centrale et CNRS/Université Claude Bernard) ont engagé des recherches sur l'intégration optique dans les Lab-on-a-Chip et sur les applications pratiques d'un tel concept. Développement en cours d un Lab-on-a-Chip «analyseur des protéines responsables de la coagulation sanguine (HCII et AT III)». Le domaine des Lab-on-a-Chip est très pluridisciplinaire : nous sommes ouverts à des collaborations, en particulier dans le domaine bio-médical.