Les ingénieurs du MIT viennent d'introduire un élément ludique dans la microfluidique.

Le domaine de la microfluidique implique des dispositifs minuscules qui manipulent avec précision les fluides à des échelles submillimétriques. De tels dispositifs prennent généralement la forme de plats, puces bidimensionnelles, gravé avec de minuscules canaux et ports qui sont agencés pour effectuer diverses opérations, comme le mélange, tri, pompage, et stocker les fluides au fur et à mesure qu'ils s'écoulent.

Maintenant, l'équipe du MIT, regarder au-delà de ces conceptions de laboratoire sur puce, a trouvé une plate-forme microfluidique alternative en "interlocking, blocs moulés par injection" - ou, comme la plupart d'entre nous les connaissent, Briques de Lego.

"Les LEGO sont des exemples fascinants de précision et de modularité dans les objets manufacturés du quotidien, " dit Anastasios John Hart, professeur agrégé de génie mécanique au MIT.

En effet, Les briques LEGO sont fabriquées de manière si cohérente que peu importe où dans le monde elles se trouvent, les deux briques sont garanties de s'aligner et de s'enclencher solidement en place. Compte tenu de ce haut degré de précision et de cohérence, les chercheurs du MIT ont choisi les briques LEGO comme base d'une nouvelle conception microfluidique modulaire.

Dans un article publié dans la revue Lab on a Chip, l'équipe décrit le micro-fraisage de petits canaux dans des LEGO et le positionnement de la sortie de chaque "brique fluidique" pour s'aligner précisément avec l'entrée d'une autre brique. Les chercheurs ont ensuite scellé les murs de chaque brique modifiée avec un adhésif, permettant aux dispositifs modulaires d'être facilement assemblés et reconfigurés.

Chaque brique peut être conçue avec un motif particulier de canaux pour effectuer une tâche spécifique. Les chercheurs ont jusqu'à présent conçu des briques en tant que résistances fluides et mélangeurs, ainsi que des générateurs de gouttelettes. Leurs briques fluidiques peuvent être emboîtées ou démontées, pour former des dispositifs microfluidiques modulaires qui effectuent diverses opérations biologiques, comme le tri des cellules, mélange de fluides, et filtrer les molécules d'intérêt.

« Vous pourriez ensuite construire un système microfluidique de la même manière que vous construirez un château LEGO – brique par brique, " dit l'auteur principal Crystal Owens, un étudiant diplômé du département de génie mécanique du MIT. "Nous espérons qu'à l'avenir, d'autres pourraient utiliser des briques LEGO pour fabriquer un kit d'outils microfluidiques."

Mécanique modulaire

Cerf, qui est également directeur du laboratoire de fabrication et de productivité du MIT et du groupe de mécanosynthèse, concentre principalement ses recherches sur les nouveaux procédés de fabrication, avec des applications allant des nanomatériaux à l'impression 3D à grande échelle.

"Au cours des années, J'ai eu une exposition périphérique au domaine de la microfluidique et le fait que le prototypage de dispositifs microfluidiques est souvent une tâche difficile, long, processus gourmand en ressources, " dit Hart.

Owens, qui a travaillé dans un laboratoire de microfluidique en tant qu'étudiant de premier cycle, avait vu de première main les efforts minutieux qui ont été consacrés à la conception d'un laboratoire sur une puce. Après avoir rejoint le groupe de Hart, elle était impatiente de trouver un moyen de simplifier le processus de conception.

La plupart des dispositifs microfluidiques contiennent tous les canaux et ports nécessaires pour effectuer plusieurs opérations sur une seule puce. Owens et Hart ont cherché des moyens de, en substance, faire exploser cette plateforme monopuce et rendre la microfluidique modulaire, affecter une seule opération à un seul module ou unité. Un chercheur pourrait ensuite mélanger et assortir des modules microfluidiques pour effectuer diverses combinaisons et séquences d'opérations.

En cherchant des moyens de réaliser physiquement leur conception modulaire, Owens et Hart ont trouvé le modèle parfait dans les briques LEGO, qui sont à peu près aussi longs qu'une puce microfluidique typique.

"Parce que les LEGO sont si bon marché, largement accessible, et cohérents dans leur taille et leur répétabilité de montage, démontage, et montage, nous avons demandé si les briques LEGO pouvaient être un moyen de créer une boîte à outils de briques microfluidiques ou fluidiques, " dit Hart.

Construire à partir d'une idée

Pour répondre à cette question, l'équipe a acheté un ensemble de normes, briques LEGO standard et essayé différentes manières d'introduire des canaux microfluidiques dans chaque brique. La méthode la plus réussie s'est avérée être le microbroyage, une technique bien établie couramment utilisée pour forer extrêmement fin, caractéristiques submillimétriques dans les métaux et autres matériaux.

Owens a utilisé un microbroyeur de bureau pour fraiser d'abord un simple, Canal de 500 microns de large dans la paroi latérale d'une brique LEGO standard. Elle a ensuite collé un film transparent sur le mur pour le sceller et a pompé du fluide à travers le canal nouvellement fraisé de la brique. Elle a observé que le fluide s'écoulait avec succès dans le canal, démontrant que la brique fonctionnait comme une résistance à l'écoulement, un dispositif qui permet à de très petites quantités de fluide de s'écouler.

En utilisant cette même technique, elle a fabriqué un mélangeur de fluide en fraisant un horizontal, Canal en Y, et en envoyant un fluide différent à travers chaque bras du Y. Là où les deux bras se sont rencontrés, les fluides se sont mélangés avec succès. Owens a également transformé une brique LEGO en générateur de gouttes en fraisant un motif en forme de T dans son mur. Alors qu'elle pompait du liquide à travers une extrémité du T, elle a constaté qu'une partie du liquide tombait au milieu, formant une goutte à sa sortie de la brique.

Pour démontrer la modularité, Owens a construit un prototype sur une plaque de base LEGO standard composée de plusieurs briques, chacun étant conçu pour effectuer une opération différente lorsque le fluide est pompé. En plus de fabriquer le mélangeur de fluide et le générateur de gouttelettes, elle a également équipé une brique LEGO d'un capteur de lumière, positionner avec précision le capteur pour mesurer la lumière en tant que fluide passant à travers un canal au même endroit.

Owens dit que la partie la plus difficile du projet a été de trouver comment connecter les briques ensemble, sans fuite de liquide. Alors que les briques LEGO sont conçues pour s'enclencher en toute sécurité, il y a quand même un petit espace entre les briques, mesurant entre 100 et 500 microns. Pour combler cette lacune, Owens a fabriqué un petit joint torique autour de chaque entrée et sortie dans une brique.

"Le joint torique s'insère dans un petit cercle fraisé dans la surface de la brique. Il est conçu pour dépasser d'une certaine quantité, ainsi quand une autre brique est placée à côté d'elle, il comprime et crée un joint fluide fiable entre les briques. Cela fonctionne simplement en plaçant une brique à côté d'une autre, " dit Owens. " Mon objectif était de le rendre simple à utiliser. "

"Un moyen facile de construire"

Les chercheurs notent seulement quelques inconvénients à leur méthode. À l'heure actuelle, ils sont capables de fabriquer des canaux de plusieurs dizaines de microns de large. Cependant, certaines opérations microfluidiques nécessitent des canaux beaucoup plus petits, qui ne peut pas être fabriqué à l'aide de techniques de microbroyage. Aussi, comme les briques LEGO sont en thermoplastique, ils ne peuvent probablement pas résister à l'exposition à certains produits chimiques qui sont parfois utilisés dans les systèmes microfluidiques.

"Nous avons expérimenté différents revêtements que nous pourrions appliquer sur la surface pour fabriquer des briques LEGO, comme ils sont, compatible avec différents fluides, " dit Owens. " Les briques de type LEGO pourraient également être fabriquées à partir d'autres matériaux, tels que les polymères avec une stabilité à haute température et une résistance chimique."

Pour l'instant, un dispositif microfluidique basé sur LEGO pourrait être utilisé pour manipuler des fluides biologiques et effectuer des tâches telles que le tri des cellules, fluides filtrants, et encapsuler des molécules dans des gouttelettes individuelles. L'équipe conçoit actuellement un site Web qui contiendra des informations sur la façon dont d'autres peuvent concevoir leurs propres briques fluidiques en utilisant des pièces LEGO standard.

"Notre méthode fournit une plateforme accessible pour le prototypage de dispositifs microfluidiques, " Hart dit. " Si le genre d'appareil que vous voulez faire, et les matériaux avec lesquels vous travaillez, conviennent à ce type de conception modulaire, c'est un moyen facile de construire un dispositif microfluidique pour la recherche en laboratoire. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.