Chromatographie en phase liquide miniaturisée Enfin au niveau micro : comment l'impression 3D réduit la taille de la HPLC

La HPLC, mais en format mini. Cette technique est plus durable et moins coûteuse en raison de sa faible consommation de solvants – mais elle reste néanmoins peu répandue. Les obstacles technologiques sont trop importants. Cependant, les phases stationnaires fabriquées par impression 3D pourraient désormais ouvrir la voie à des systèmes « lab-on-chip » entièrement imprimés et ainsi donner un nouvel élan à la micro- et nano-LC.

La miniaturisation figure depuis des années parmi les principales tendances en matière de développement dans le domaine de l'analyse instrumentale. Les systèmes plus compacts nécessitent moins de solvants et d'échantillons, permettent de réduire la durée des analyses et ouvrent la voie à de nouvelles applications, allant de l'analyse des procédés aux systèmes portables de type « lab-on-chip ». Alors que la microfluidique s’est imposée dans de nombreux domaines, le développement de colonnes de séparation chromatographiques miniaturisées performantes reste à ce jour un défi technologique.

Le projet de recherche 3DmiChrom de la Recherche industrielle collective (IGF) a donc adopté une nouvelle approche : Au lieu d'utiliser des colonnes garnies de manière conventionnelle, les scientifiques construisent des phases stationnaires directement en trois dimensions à l'aide de la polymérisation à deux photons (2PP). Ce procédé de fabrication additive, qui offre actuellement la plus haute résolution, permet d’obtenir des structures de l’ordre du micromètre et du sous-micromètre et ouvre ainsi de nouvelles possibilités dans la fabrication de monolithes chromatographiques.

Miniaturisation des colonnes : quels sont les obstacles ?

Les avantages de la chromatographie en phase liquide miniaturisée sont connus depuis longtemps [1-3]. Une consommation réduite de solvants permet de réduire les coûts d'exploitation et l'impact environnemental. Parallèlement, les temps d'analyse sont plus courts, ce qui permet notamment de mettre en œuvre de manière plus rentable les applications à haut débit. Néanmoins, les systèmes LC microfluidiques ne se sont jusqu'à présent imposés que de manière limitée, tant dans le milieu universitaire qu'industriel.

L'une des principales raisons expliquant la lenteur de la diffusion de la micro- et nano-HPLC réside dans l'extrême difficulté à remplir de manière reproductible le matériel de colonne requis. Seuls quelques fabricants de colonnes proposent dans leur gamme des phases de séparation d'un diamètre intérieur < 1 mm.

Phases stationnaires issues de l'imprimante 3D

Au cœur du projet de recherche commun entre l'université de Reutlingen et l'Institut pour l'environnement et l'énergie, la technologie et l'analyse (IUTA) (IUTA) était donc le développement de monolithes polymères fabriqués par impression 3D à base de 2PP : Dans ce procédé, une résine liquide est durcie exclusivement aux endroits où les molécules absorbent deux photons simultanément [4-5].

Au début du projet, les partenaires ont identifié des photorésines adaptées, puis les ont perfectionnées spécifiquement pour des applications chromatographiques. Les matériaux disponibles dans le commerce ne répondant pas aux exigences en matière de fonctionnalité chimique et de résistance, des formulations de résines propres ont été développées pour les phases stationnaires hydrophiles, hydrophobes et ioniques. Les formulations à base de méthacrylate de 2-hydroxyéthyle (HEMA) et de méthacrylate de lauryle (LMA) se sont révélées particulièrement efficaces, présentant à la fois une grande stabilité chimique et une bonne fonctionnalisation.

Structure poreuse contrôlée numériquement

Le véritable progrès réside toutefois dans la conception structurelle des monolithes. Alors que les monolithes conventionnels obtiennent leur structure poreuse principalement par des processus de polymérisation [6], celle-ci est définie de manière entièrement numérique dans le cas du 2PP.

Grâce à des modèles paramétriques de conception assistée par ordinateur (modèles CAO), différentes géométries ont pu être étudiées (voir fig. 2). Outre les structures octaédriques, tétraédriques et sphériques, la géométrie gyroïdale s'est révélée particulièrement adaptée. Cette structure TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) allie une grande stabilité mécanique à un système macroporeux extrêmement bien interconnecté et à des propriétés d'écoulement favorables. Des simulations de mécanique des fluides ont fourni des informations supplémentaires en vue d’améliorations futures de la structure tridimensionnelle.

Macropores reproductibles jusqu'à 1 µm

L'un des principaux résultats du projet a été la fabrication reproductible de systèmes à macropores ouverts dont le diamètre des pores peut descendre jusqu'à 1 µm. Ce n’est pas seulement le procédé d’impression qui a joué un rôle décisif à cet égard, mais surtout un post-traitement optimisé des phases stationnaires fabriquées. En effet, après l’impression, l’excès de résine photosensible doit être entièrement éliminé des réseaux poreux complexes. À cette fin, les chercheurs ont mis au point un procédé de nettoyage reproductible, qui a été vérifié à l’aide d’images de nano-tomographie et de mesures de débit. La figure 3 présente le déroulement des opérations pour la fabrication et le post-traitement des phases stationnaires imprimées.

La porosité hiérarchique améliore la séparation

Outre les macropores définis, une structure de surface mésoporeuse a également été créée. Cette porosité hiérarchique répond à deux exigences des colonnes de séparation chromatographique : De grands macropores garantissent une faible résistance à l'écoulement, tandis que les mésopores augmentent considérablement la surface spécifique et améliorent ainsi l'interaction entre l'analyte et la phase stationnaire. Dans le cadre de ce projet, les chercheurs ont fabriqué de manière ciblée et reproductible des systèmes poreux adaptés.

Les monolithes fabriqués par impression 3D ont ensuite été analysés par chromatographie. Après fonctionnalisation hydrophobe au méthacrylate de lauryle, une fonctionnalité en phase inverse a pu être mise en évidence expérimentalement pour la première fois. Dans des conditions de gradient, un mélange de trois composés a été séparé avec succès (voir fig. 4).

Perspective : systèmes LC entièrement fabriqués par impression 3D

À long terme, cette vision va bien au-delà des colonnes de séparation individuelles. Les participants au projet ont déjà mis au point une première puce LC entièrement fabriquée par impression 3D, dans laquelle les microcanaux et la phase stationnaire sont créés au cours d’un même processus de fabrication. Même si des efforts de développement restent nécessaires en ce qui concerne la connexion aux périphériques des systèmes HPLC, ce concept démontre le potentiel que recèle la fabrication additive pour les futurs systèmes analytiques intégrés (voir fig. 5).

Conclusion et perspectives

Les résultats du projet 3DmiChrom montrent que la micro-impression 3D basée sur la polymérisation à deux photons en phase stationnaire est bien plus qu'un simple procédé de fabrication alternatif. Elle permet pour la première fois une conception numérique ciblée de la géométrie des pores, de la chimie de surface et du comportement des écoulements au sein de monolithes chromatographiques. Grâce à la fabrication reproductible de macropores pouvant atteindre 1 µm, à des monolithes polymères à porosité hiérarchique et aux premières séparations chromatographiques réussies, une étape décisive a été franchie en matière de systèmes micro-LC entièrement fabriqués par impression 3D.

Un projet de suivi de l'IGF débutera en octobre 2026. Les petites et moyennes entreprises (PME) actives dans les domaines de la fabrication de phases stationnaires et de la fabrication additive sont tout particulièrement invitées à participer à la première réunion du comité de suivi du projet. Elle aura lieu le 1er décembre 2026 à l’Institut pour l’environnement & l’énergie, la technique & l’analyse e. V. à Duisburg. À cette occasion, les résultats du projet achevé seront présentés et un aperçu des travaux de recherche prévus ainsi que des axes prioritaires du projet de suivi sera donné. Cette réunion offre également l’occasion de faire part de vos propres exigences et questions, et de participer activement à l’orientation future du projet.

Remerciements

Le projet IGF n° 01IF22786N de la F.O.M. a été financé par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (BMWE) dans le cadre du programme de soutien à la recherche industrielle collective (IGF), sur la base d'une décision du Bundestag allemand.

Bibliographie

• [1] Hetzel T, Loeker D, Teutenberg T, Schmidt TC. Caractérisation de l’efficacité des colonnes de chromatographie liquide à micro-diamètre par analyse de van Deemter et de courbes cinétiques. J Sep Sci. 2016 ; 39(20) : 3889-3897. doi : 10.1002/jssc.201600775.
• [2] Werres T, Schmidt TC, Teutenberg T. Influence du diamètre interne de la colonne sur l'efficacité chromatographique en chromatographie liquide ultra-haute performance miniaturisée et conventionnelle. Chromatographia. 2023 ; 86 : 143-151. doi : 10.1007/s10337-023-04237-4.
• [3] Vasconcelos Soares Maciel E, de Toffoli AL, Sobieski E, Domingues Nazário CE, Lanças FM. Chromatographie liquide miniaturisée axée sur les colonnes analytiques et la spectrométrie de masse : une revue . Anal Chim Acta. 2020 ; 1103 : 11-31. doi : 10.1016/j.aca.2019.12.064.
• [4] Hermatschweiler M. L'impression 3D conquiert l'échelle microscopique : la lithographie laser, moteur de l’innovation pour les technologies clés. Laser Tech J. 2013 ; 10(4) : 55-57. doi : 10.1002/latj.201300001 
• [5] Lachmayer R, Lippert RB. La fabrication additive quantifiée. Berlin : Springer ; 2017. doi : 10.1007/978-3-662-54113-5.
• [6] Svec F. Monolithes polymères poreux : une étonnante diversité de techniques permettant leur préparation. J Chromatogr A. 2010 ; 1217(6) : 902-924. doi : 10.1016/j.chroma.2009.09.073.
• [7] Drieschner T, Werres T, Klassen M, Lang B, Lorenz A, Brecht M, Lorenz G, Teutenberg T, Kandelbauer A. Monolithes polymères fonctionnalisés à structure hiérarchique obtenus par polymérisation à deux photons pour des colonnes de séparation HPLC miniaturisées. Anal Chem. 2026. doi: 10.1021/acs.analchem.6c02512

Informations sur l'auteur

• Dr Thorsten Teutenberg 
  Responsable du département « Analyse de recherche et miniaturisation », Institut pour l'environnement et l'énergie, la technologie et l'analyse (IUTA)
• Tobias Drieschner 
  doctorant, Université de Reutlingen
• Dr Tobias Werres 
  collaborateur scientifique, Institut pour l'environnement et l'énergie, la technique et l'analyse (IUTA)
• Martin Klaßen 
  Responsable du département « Hygiène environnementale et produits pharmaceutiques », Institut pour l'environnement, l'énergie, la technologie et l'analyse (IUTA)
• Björn Lang 
  assistant étudiant, Institut pour l'environnement et l'énergie, la technique et l'analyse (IUTA)
• Dr Anita Lorenz 
  chimiste alimentaire, Université de Reutlingen
• Prof. Dr. habil. Marc Brecht 
  Vice-président chargé de l'enseignement, Université de Reutlingen
• Prof. Dr Günter Lorenz (†) 
  professeur de chimie à l'université de Reutlingen
• Prof. Dr.-Techn. habil. Dipl. Ing. Andreas Kandelbauer 
  Vice-doyen chargé de la recherche à la faculté des sciences de la vie de l'université de Reutlingen